Процесс фотосинтез: Фотосинтез — урок. Биология, Общие биологические закономерности (9–11 класс).

Фотосинтез — урок. Биология, Общие биологические закономерности (9–11 класс).

Фотосинтез — это процесс, благодаря которому существует большинство живых организмов на нашей планете.

Фотосинтез — процесс образования органических веществ из углекислого газа (CO2) и воды (h3O), протекающий с использованием солнечной энергии.

Фотосинтез происходит в хлоропластах у растений или на мезосомах у прокариот. На цитоплазматической мембране у этих организмов содержатся молекулы зелёного пигмента — хлорофилла.

 

Рис. \(1\). Хлоропласт

 

Молекулы хлорофилла способны улавливать кванты света и переходить в возбуждённое состояние. От них отрываются электроны, которые подхватываются молекулами переносчика НАДФ⁺ (никотинамидадениндинуклеотидфосфата). При этом энергия электронов частично расходуется на образование АТФ.

 

Процесс фотосинтеза включает две последовательные фазы: световую и темновую.

Световая фаза

Световая фаза — процесс преобразования поглощённой хлорофиллом энергии света в электрическую энергию электрон-транспортной цепи. Она протекает на мембранах тилакоидов с участием фермента АТФ-синтетазы и мембранных белков-переносчиков.

У растений в световой фазе фотосинтеза происходят два процесса: фотолиз воды и синтез АТФ (нециклическое фосфорилирование). 
 

На фотосинтетических мембранах гран хлоропластов происходят следующие процессы:

• переход электронов хлорофилла под действием квантов света в возбуждённое состояние;  
• восстановление окисленной формы молекул-переносчиков НАДФ⁺ до НАДФ ·Н₂;
• разложение воды (фотолиз):

          2h3O→4H++4e−+O2.

  

Результатами световых реакций являются:

• фотолиз воды и выделение молекулярного кислорода;
• образование АТФ;
• образование НАДФ-восстановленного.

 

Обрати внимание!

В световой фазе фотосинтеза энергия аккумулируется в НАДФ·Н₂ и АТФ, которые используются для синтеза веществ в темновой фазе.

Процесс образования АТФ из АДФ за счёт световой энергии отличается высокой эффективностью: за единицу времени в хлоропластах синтезируется в \(30\) раз  больше АТФ, чем в кислородном этапе энергетического обмена в митохондриях.

 

Образовавшиеся в световой фазе богатые энергией вещества используются в темновой фазе фотосинтеза.

Темновая фаза

Реакции темновой фазы фотосинтеза протекают независимо от света.

Темновая фаза — процесс преобразования CO2 в глюкозу с использованием энергии, запасённой в молекулах АТФ и НАДФ·Н_2.

Реакции темновой фазы происходят в строме хлоропластов, где находятся образовавшиеся в световой фазе молекулы НАДФ·Н

2 и АТФ.

Источник углерода (CO2) растение получает из воздуха через устьица.

Процесс образования глюкозы из углекислого газа, протекающий в темновой фазе фотосинтеза, имеет название цикла Кальвина.

В результате реакций темновой фазы из углекислого газа образуется глюкоза, которая затем превращается крахмал.

 

Кроме глюкозы в хлоропластах синтезируются также другие органические вещества: аминокислоты, нуклеотиды и т. д.

 

Рис. \(2\). Схема фотосинтеза

Суммарные уравнения и частные реакции фотосинтеза представлены в таблице.

 

Значение фотосинтеза

1. При фотосинтезе образуются органические вещества, которые служат пищей для живых организмов.

 

2.

При фотосинтезе выделяется свободный кислород, который нужен живым организмам для дыхания.

 

3. Фотосинтез обеспечивает постоянство уровня CO2 и O2 в атмосфере.

 

4. В верхних слоях воздушной оболочки Земли из кислорода образуется озон O3, из которого формируется защитный озоновый экран, предохраняющий организмы от опасного для жизни воздействия ультрафиолетового излучения.

Источники:

Рис. 1. Хлоропласт https://www.shutterstock.com/ru/image-vector/structure-typical-higherplant-chloroplast-diagram-749518939

Рис. 2. Схема фотосинтеза https://image.shutterstock.com/image-vector/diagram-process-photosynthesis-showing-light-600w-290826602.jpg

Фотосинтез, подготовка к ЕГЭ по биологии

Типы питания

По типу питания живые организмы делятся на автотрофы, гетеротрофы и миксотрофы. Автотрофы (греч. αὐτός — сам + τροφ — пища) — организмы, которые самостоятельно способны синтезировать органические вещества из неорганических. Гетеротрофы (греч. ἕτερος — иной + τροφή — пища) — организмы, использующие для питания готовые органические вещества.

Наконец, миксотрофы (греч. μῖξις — смешение + τροφή — пища) — организмы, которые могут использовать как гетеротрофный, так и автотрофный способ питания. К примеру, эвглена зеленая на свету начинает фотосинтезировать, а в темноте питается гетеротрофно.

Фотосинтез

Фотосинтез (греч. φῶς — свет и σύνθεσις — синтез) — сложный химический процесс преобразования энергии квантов света в энергию химических связей. В результате фотосинтеза происходит синтез органических веществ из неорганических.

Этот процесс уникален и происходит только в растительных клетках, а также у некоторых бактерий. Фотосинтез осуществляется при участии хлорофилла (греч. χλωρός — зелёный и φύλλον — лист) — зеленого пигмента, окрашивающего органы растений в зеленый цвет. Существуют и другие вспомогательные пигменты, которые вместе с хлорофиллом выполняют светособирающую или светозащитную функции.

Ниже вы увидите сравнение строения хлорофилла и гемоглобина. Обратите внимание, что в центре молекулы хлорофилла находится ион Mg.

В высшей степени гениально значение процесса фотосинтеза подчеркнул русский ученый К. А. Тимирязев: «Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа или, вернее, вне хлорофиллового зерна в природе не существует лаборатории, где бы выделялось органическое вещество. Во всех других органах и организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь из вещества неорганического»

Более подробно мы обсудим значение фотосинтеза в завершение этой статьи. Фотосинтез состоит из двух фаз: светозависимой (световой) и светонезависимой (темновой). Я рекомендую использовать названия светозависимая и светонезависимая, так как они способствуют более глубокому (и правильному!) пониманию фотосинтеза.

Светозависимая фаза (световая)

Эта фаза происходит только на свету на мембранах тилакоидов в хлоропластах. В ней принимают участие различные ферменты, белки-переносчики, молекулы АТФ-синтетазы и зеленый пигмент хлорофилл.

Хлорофилл выполняет две функции: поглощения и передачи энергии. При воздействии кванта света хлорофилл теряет электрон, переходя в возбужденное состояние. С помощью переносчиков электроны скапливаются с наружной поверхности мембраны тилакоидов, тем временем внутри тилакоида происходит фотолиз воды (разложение под действием света):

H₂O —> H⁺ + OH^—

Гидроксид-ионы отдают лишний электрон, превращаясь в реакционно способные радикалы OH, которые собираются вместе и образуют молекулу воды и свободный кислород (это побочный продукт, который в дальнейшем удаляется в ходе газообмена).

4OH —> 2H₂O + O₂↑

Образовавшиеся при фотолизе воды протоны (H

+) скапливаются с внутренней стороны мембраны тилакоидов, а электроны — с внешней. В результате по обе стороны мембраны накапливаются противоположные заряды.

При достижении критической разницы, часть протонов проталкивается на внешнюю сторону мембраны через канал АТФ-синтетазы. В результате этого выделяется энергия, которая может быть использована для фосфорилирования молекул АДФ:

Протоны, попав на поверхность мембраны тилакоидов, соединяются с электронами и образуют атомарный водород, который используется для восстановления молекулы-переносчика НАДФ (никотинамиддинуклеотидфосфат). Благодаря этому окисленная форма — НАФД⁺ превращается в восстановленную — НАДФ∗H₂.

Предлагаю создать квинтэссенцию из полученных нами знаний. Итак, в результате светозависимой фазы фотосинтеза образуются:

• Свободный кислород O₂ — в результате фотолиза воды
• АТФ — универсальный источник энергии
• НАДФ∗H₂ — форма запасания атомов водорода

Кислород удаляется из клетки как побочный продукт фотосинтеза, он совершенно не нужен растению. АТФ и НАДФ∗H₂ в дальнейшем оказываются более полезны: они транспортируются в строму хлоропласта и принимают участие в светонезависимой фазе фотосинтеза.

Светонезависимая (темновая) фаза

Светонезависимая фаза происходит в строме (матриксе) хлоропласта постоянно: и днем, и ночью — вне зависимости от освещения.

При участии АТФ и НАДФ∗H₂ происходит восстановление CO₂ до глюкозы C₆H₁₂O₆. В светонезависимой фазе происходит цикл Кальвина, в ходе которого и образуется глюкоза. Для образования одной молекулы глюкозы требуется 6 молекул CO₂, 12 НАДФ∗H₂ и 18 АТФ.

Таким образом, в результате темновой (светонезависимой) фазы фотосинтеза образуется глюкоза, которая в дальнейшем может быть преобразована в крахмал, служащий для запасания питательных веществ у растений.

Значение фотосинтеза

Значение фотосинтеза невозможно переоценить. Уверенно утверждаю: именно благодаря этому процессу жизнь на Земле приобрела такие чудесные и изумительные формы, какие мы видим вокруг себя: удивительные растения, прекрасные цветы и самые разнообразные животные.

В разделе эволюции мы уже обсуждали, что изначально в составе атмосферы Земли не было кислорода: миллиарды лет назад его начали вырабатывать первые фотосинтезирующие бактерии — сине-зеленые водоросли (цианобактерии). Постепенно кислород накапливался, и со временем на Земле стало возможно аэробное (кислородное) дыхание. Возник озоновый слой, защищающий все живое на нашей планете от губительного ультрафиолета.

Говоря о роли фотосинтеза, выделим следующие функции, объединяющиеся в так называемую космическую роль растений. Итак, растения за счет фотосинтеза:

• Синтезируют органические вещества, являющиеся пищей для всего живого на планете
• Преобразуют энергию света в энергию химических связей, создают органическую массу
• Растения поддерживают определенный процент содержания O₂ в атмосфере, очищают ее от избытка CO₂
• Способствуют образованию защитного озонового экрана, поглощающего губительное для жизни ультрафиолетовое излучение

Хемосинтез (греч.

chemeia – химия + synthesis — синтез)

Хемосинтез — автотрофный тип питания, который характерен для некоторых микроорганизмов, способных создавать органические вещества из неорганических. Это осуществляется за счет энергии, получаемой при окислении других неорганических соединений (железо- , азото-, серосодержащих веществ).

Хемосинтез был открыт русским микробиологом С.Н. Виноградским в 1888 году. Большинство хемосинтезирующих бактерий относится к аэробам, для жизни им необходим кислород.

При окислении неорганических веществ выделяется энергия, которую организмы запасают в виде энергии химических связей. Так нитрифицирующие бактерии последовательно окисляют аммиак до нитрита, а затем — нитрата. Нитраты могут быть усвоены растениями и служат удобрением.

Помимо нитрифицирующих бактерий, встречаются:

• Серобактерии — окисляют H₂S —> S ⁰ —> (S⁺⁴O₃)^2- —> (S⁺⁶O₄)^2-
• Железобактерии — окисляют Fe⁺² —>Fe⁺³
• Водородные бактерии — окисляют H₂ —> H⁺¹₂O
• Карбоксидобактерии — окисляют CO до CO₂

Значение хемосинтеза

Хемосинтезирующие бактерии являются неотъемлемым звеном круговорота в природе таких элементов как: азот, сера, железо.

Нитрифицирующие бактерии обеспечивают переработку (нейтрализацию) ядовитого вещества — аммиака. Они также обогащают почву нитратами, которые очень важны для нормального роста и развития растений.

Усвоение нитратов происходит за счет клубеньковых бактерий на корнях бобовых растений, однако важно помнить, что клубеньковые (азотфиксирующие) бактерии, в отличие от нитрифицирующих бактерий, питаются гетеротрофно.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

ФОТОСИНТЕЗ И ДЫХАНИЕ | Наука и жизнь

БОЛЬШАЯ НАУКА В МАЛЕНЬКОМ ОГОРОДЕ

Известно, что любое растение «добывает» пищу не только из почвы, но и из воздуха. 95% урожая определяют органические вещества, полученные в зеленых листьях за счет воздушного питания растений — фотосинтеза, и лишь остальные 5% зависят от почвенного или минерального питания.

Тем не менее большинство садоводов основное внимание уделяют прежде всего минеральному питанию. Они регулярно вносят удобрения, рыхлят почву, поливают, забывая о воздушном питании растений. Даже приблизительно нельзя сказать, сколько мы «не добираем» урожая лишь из-за того, что как бы «не замечаем» фотосинтеза.

О масштабах фотосинтеза и его значении в природе можно судить уже по одному количеству солнечной энергии, перехватываемой зелеными листьями и «законсервированной» в растениях. Ежегодно только растения суши запасают в виде углеводов столько энергии, сколько могли бы израсходовать сто тысяч больших городов в течение 100 лет!

О значении и сущности фотосинтеза говорил еще К. А. Тимирязев в 1878 году в своей знаменитой книге «Жизнь растений». «Когда-то, где-то на Землю упал луч солнца, но упал он не на бесплодную почву, он упал на зеленую былинку пшеничного ростка, или лучше сказать на хлорофилловое зерно. Ударяясь о него, он потух, перестал быть светом, но не исчез. Он только затратился на внутреннюю работу. В той или иной форме он вошел в состав хлеба, послужившего нам пищей. Он преобразовался в наши мускулы, в наши нервы. Этот луч согревает нас. Он приводит нас в движение. Быть может, в эту минуту он играет в нашем мозгу…» Слова эти не устарели до сих пор. За прошедшие годы они лишь уточнились и дополнились новыми данными о дыхании.

У растений дыхание в основе своей — процесс, противоположный фотосинтезу. Молекула сахара глюкозы окисляется кислородом воздуха до углекислого газа и воды с выделением заключенной в углеводах энергии. Эта энергия идет на осуществление и поддержку всех жизненных процессов: поглощение и испарение воды и минеральных солей, рост и развитие растений.

Именно в освобождении энергии и направлении ее на нужды растений и заключается главный смысл дыхания, которое происходит во всех живых клетках растений.

По сути, дыхание поддерживает саму жизнь на Земле! Но как именно это происходит? За счет какой формы энергии? Не вдаваясь в подробности, скажем лишь, что весь смысл дыхания состоит в образовании аденозинтрифосфорной кислоты или сокращенно АТФ — органического вещества, в состав которого входят азотистое основание аденин, пятиуглеродистый сахар рибоза (вместе они составляют аденозин) и три остатка фосфорной кислоты, соединенные между собой фосфатной связью, при распаде которой и освобождается энергия, необходимая для всего живого на Земле.

Образно это можно сравнить с работой аккумуляторной батареи, которая отдает энергию по потребности и снова заряжается у растений за счет солнечной энергии при фотосинтезе.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Срез листа под микроскопом. По мере поступления воды тонкие наружные стенки клеток растягиваются и тянут за собой более толстые внутренние. В это время устьица (отверстия) открываются: из листа выделяется кислород, а поступает в него углекислый газ.

Солнце в течение дня меняет свое положение, описывая траекторию дуги примерно 60° зимой и 120° и более летом. Это надо учитывать при выборе места для теплицы.

Живая изгородь высотой не более 1,8 метра, растущая к югу и западу от теплицы, снизит силу преобладающих ветров, не вызывая затенения. Забор с северной стороны, поставленный близко к теплице, не отбрасывает тень.

Установленные на крыше и боковых стенках теплицы форточки улавливают поток холодного воздуха и направляют его вниз к полу. Когда поток нагревается, он поднимается вверх и выходит наружу через форточки, расположенные с подветренной стороны.

‹

›

Практически выходит, что урожай растений — это разница между фотосинтезом и дыханием: чем выше фотосинтез и ниже дыхание, тем выше урожай, и наоборот. В природе фотосинтез меняется сравнительно мало. Зато дыхание может возрастать в сто и даже тысячу раз. К тому же соотношение между производящими и потребляющими частями растений строится по принципу: один с сошкой (фотосинтез) — семеро с ложкой (дыхание). В самом деле, ведь фотосинтез идет только в листьях и только днем на свету, тогда как дышат растения круглые сутки, а накопление органических веществ (основы урожая) возможно лишь при условии, что фотосинтез намного превышает дыхание. К великому сожалению, это бывает значительно реже, чем хотелось бы.

К тому же все это мы рассматриваем сейчас в несколько упрощенном виде. На самом деле растение — единый целостный организм, в котором все процессы тесно взаимосвязаны, с одной стороны, друг с другом, с другой — с окружающей их внешней средой: светом, теплом, влагой. Влияние внешних условий на любое растение сложно, ведь в природе все условия действуют на растение одновременно. И пока мы не знаем, где же кончается действие одного из них и начинается действие другого и какое именно условие оказывается решающим в данный период роста и развития растения.

Чтобы ответить на этот вопрос и были сооружены огромные оранжереи с полностью управляемым климатом — климатроны. Один из них — климатрон Миссурийского ботанического сада в городе Сент-Луисе (США), построенный видным американским ученым Ф. Вентом. Он установил, что из всех внешних условий решающим фактором роста томатов является ночная температура. Если ночью она поднималась выше 24 или опускалась ниже 16 градусов, плоды вообще не завязывались. Ночная температура оказалась решающей и для урожая картофеля. Клубни лучше всего образовывались при температуре ночью около 12 градусов. Именно поэтому в жаркое лето 1999 года во многих зонах нашей страны, в том числе в Подмосковье, урожай картофеля снизился вдвое по сравнению с прошлыми годами.

Температура часто оказывается едва ли не «главным врагом» будущего урожая, причем не только тогда, когда бывает слишком низкой, но и в тех случаях, когда намного превышает оптимальную. Немецкие ученые X. Лир, Г. Польстер установили, что в ясные солнечные дни для получения урожая наиболее продуктивны ранние утренние часы, когда температура воздуха не превышает 20-25°С. Прирост органической массы в это время в 30 раз больше, чем при более высоких температурах.

И это вполне понятно и объяснимо. Именно в утренние часы фотосинтез достигает своего максимума, тогда как дыхание, сильно зависящее от температуры, становится минимальным. Вот почему растения особенно отзывчивы на утренние поливы. Воды, особенно огурцам, томатам, кабачкам, требуется много и желательно не очень холодной.

В совершенно необычную и непривычную среду попадают растения при выращивании их в закрытом грунте. В условиях теплиц все внешние факторы нередко начинают работать как бы против растений. Пытаясь с помощью обыкновенной пленки защитить растения от холода, мы никак не можем избавить их от перегрева, что сделать намного труднее. Ведь даже весной температура в теплицах иногда превышает оптимальную (около 20 градусов). Что же говорить о периоде апрель — август?

В пасмурные дни теплица невольно превращается для растений в темницу, скупые лучи солнца едва проникают сквозь пленку. Из-за нехватки света фотосинтез резко падает, тогда как дыхание идет своим чередом, нередко перекрывает фотосинтез и заметно снижает будущий урожай.

Другая беда подстерегает растения в теплице в ясные теплые солнечные дни. Теплица превращается в такие дни в раскаленную пустыню. «Перегрев» листьев и нехватка углекислого газа — основного «сырья» для создания углеводов — приводят к резкому падению фотосинтеза. Напомним, что в воздухе содержится всего лишь 0,03% углекислого газа, или 3 части на 10 тысяч частей воздуха, и нехватка этого газа в теплицах в дневные часы — вполне обычное дело. Зато в сто и даже тысячу раз (в зависимости от температуры) возрастает дыхание. Естественно, что в эти часы о накоплении углеводов не может быть и речи. Наоборот, растение теряет даже то, что было накоплено в более благоприятное время.

А что необходимо делать садоводу? Прежде всего, регулярно следить за температурой с помощью размещенных внутри и снаружи теплицы термометров или, что лучше, психрометров (приборов с двумя термометрами, у одного из которых резервуар обтянут влажной материей), позволяющих одновременно наблюдать за температурой и относительной влажностью воздуха, что очень важно. Для защиты от перегрева хорошо иметь с обеих торцовых стен теплицы широкие двери. Вместе со свежим холодным воздухом через приоткрытые двери устремляется в теплицу поток углекислого газа, что заметно повышает фотосинтез, особенно при нехватке света.

Если этого недостаточно, нужны боковые окна, самое простое — прибить пленку внизу с боков к деревянным рейкам и скатывать ее, поднимая на нужную высоту.

Несколько слов о почвенном питании растений. До сих пор многие садоводы считают, что обильный урожай овощей можно вырастить лишь с помощью органических удобрений. Минеральные же удобрения, по их мнению, — сплошные ядовитые нитраты.

Что касается нитратов, то есть очень мудрая заповедь: «Не перекорми!» Вносить удобрений надо столько, сколько необходимо растениям, и не сразу, а дробно, по мере их потребления. Обо всем этом журнал «Наука и жизнь» писал уже много раз (см. № 4, 1992 г.; № 6, 1993 г.; №№ 3, 4, 5, 1999 г.).

В заключение несколько слов о выращивании овощей на балконах и лоджиях. Живем мы в однокомнатной квартире на втором этаже кирпичного дома в Красногорском районе Подмосковья. Вблизи нет зданий и затеняющих деревьев. Размер балкона 3 метра на 70 см. Овощи мы выращиваем по методу американского овощевода доктора Дж. Миттлайдера на смеси опилок с песком. Берем шесть литровых кружек опилок (без стружки), три кружки песка (без глины), две столовые ложки (с верхом) питательной смеси № 1 и одну столовую ложку (с верхом) смеси № 2. Смесь № 1 готовим следующим образом: 5 кг молотого известняка или доломитовой муки смешиваем с 40 г борной кислоты; смесь № 2-3 кг комплексного удобрения «Азофоска» смешиваем с 450 г (два с половиной стакана) сернокислого магния и 3 чайными ложками (без верха) борной и молибденовой кислоты.

Приготовленной смесью набиваем пластмассовые корытца для цветов и тазы с отверстиями 0,5 см в дне и с боков. Для подкормки растений в 1 литре горячей воды растворяем четыре чайные ложки (с верхом) смеси № 2. Всякий раз перед подкормкой берем из приготовленной емкости 100 г раствора и разбавляем его в 10 раз водой. Этого количества хватает на подкормку примерно 10 растений. Частота подкормок: в ясную теплую солнечную погоду — один раз в 7-10 дней, в холодную и пасмурную — два раза в месяц.

В корытцах выращиваем огурцы, в тазах — помидоры, по 1-3 штуки в каждом, в зависимости от размера посуды. Собираем по килограмму помидоров с каждого куста. Выращиваем их в основном из купленной рассады. Правда, в 1999 году сами вырастили рассаду, но несколько запоздали с посевом семян, и из нее выросли «игрушечные» помидоры высотой 40 см, сплошь усыпанные ярко-красными плодами, каждый размером со сливу. Но они были так красивы, что многие прохожие невольно останавливались, чтобы полюбоваться на это чудо.

На каждом балконе — свои условия для выращивания растений, и нельзя заранее сказать, что с северной стороны все овощи будут расти плохо, а с южной — наоборот, хорошо. Необходимое условие на все случаи: остекленные лицевая и тем более торцовая стороны балкона должны открываться на всю их ширину. Если этого нет, лучше оставить балкон или лоджию неостекленными, а в холодную погоду вносить растения в комнату.

• САДОВОДУ — НА ЗАМЕТКУ

Многие новые сорта овощных культур позволяют избежать несоответствия своих требований реальным условиям выращивания. Так, устойчивы: к недостатку освещенности — гибриды томата F₁ Оля, баклажана F₁ Плутон, сорта салата Балет, Келтик; к пониженным температурам — сорта тыквы Улыбка, петрушки Берлинская, свеклы Детройт, редьки Чернавка, огурца Сириус, гибриды томатов F₁ Леля, F₁ Оля; к засухе — гибриды огурца F₁ Мазай, сорта редиса Злата, баклажана Квартет.

«Что такое фотосинтез, и как он работает?» — Яндекс.Кью

Фотосинтез – это биологический процесс синтеза углеводов из неорганических веществ за счёт энергии солнца. В природе существует несколько вариантов фотосинтеза. У растений фотосинтез происходит в хлоропластах – специальных клеточных органеллах, являющихся потомками цианобактерий. Хлоропласты имеют две мембраны – наружную и внутреннюю. Внутренняя мембрана образует микроскопические «мешочки» — тилакоиды, которые складываются в «стопки» — граны (в каждом хлоропласте множество гран). На мембранах тилакоидов находятся сложные белковые комплексы, образующие элегантно функционирующую систему переноса электронов. С некоторыми белками ассоциированы молекулы хлорофилла. Когда луч света (определённой длины электромагнитная волна) падает на молекулу хлорофилла, происходит её активация, то есть переход в возбуждённое состояние, и он отдаёт свой электрон дальше по цепочке. Чтобы восполнить отданный электрон, необходима какая-то молекула-донор, которая поделится с хлорофиллом своим электроном. У растений (но не у всех фотосинтетиков!) таким донором является вода. Таким образом, под действием световой энергии происходит не только возбуждение хлорофилла, но и окисление воды, которое логично называется фотоокислением. При этом, конечно, в молекулах воды остаются невостребованными атомы кислорода. Они образуют двухатомные молекулы O2. Это тот самый кислород, которым мы дышим, а фотосинтез – основной процесс, образующий его в таком виде.

Далее за счёт запущенного процесса передачи электрона по цепи переносчиков происходит накопление протонов в люмене тилакоида, то есть его внутреннем пространстве. Протоны выходят изнутри тилакоидов в жижу хлоропластов, называемую стромой (термин «строма» применяется и в других биологических контекстах). Но переходят они не просто через мембрану тилакоида, это физически невозможно, но есть специальный белковый комплекс, встроенный в мембрану, – АТФ-синтаза. Проходящие через отверстие в нём протоны заставляют вращаться одну часть этого комплекса относительно другой, благодаря чему происходит фосфорилирование АДФ (аденозиндифосфата) с образованием АТФ (аденозинтрифосфата), богатой энергией молекулы. Кроме того, в определённый момент передачи электронов по цепочке происходит генерация НАДФ∙H.

Всё что было до этого момента называется световой фазой фотосинтеза. Дальнейшие процессы составляют темновую фазу, для которой свет не нужен. В ней происходит сам синтез углеводов (это уже органические вещества), причём источником атомов углерода являются молекулы углекислого газа CO2 (неорганическое вещество). Молекулы АТФ и НАДФ∙H необходимы для протекания определённых реакций на пути синтеза углеводов.

Таким образом, общее уравнение фотосинтеза растений с учётом световой и темновой фаз имеет следующую форму:

6CO2 + 6h3O = C6h22O6 + 6O2.

CO2 – источник углерода; h3O – источник электронов; C6h22O6 – глюкоза, вступающая в дальнейшие метаболические процессы; O2 – побочный продукт фотоокисления воды.

Световая фаза фотосинтеза у растений:

Темновая фаза фотосинтеза (обратите внимание на молекулы АТФ и НАДФ∙H, приходящие из световой фазы, и молекулу глюкозы, являющуюся целью фотосинтеза):

Важно, что данная схема фотосинтеза присуща не всем фотосинтетикам. Например, есть бактерии, у которых донором электронов является не вода, а сероводород, следовательно, побочным продуктом будет не кислород, а сера.

В любом случае, все фотосинтетики являются автотрофными организмами, то есть способны синтезировать органические вещества из неорганических.

Фотосинтез имеет огромное значение для экосистем, поскольку от него зависит баланс кислорода и углекислого газа.

Искусственный фотосинтез, охлаждающая одежда и бактерии, поедающие пластик

25 мая 2019

В подборке самых интересных научных новостей недели:

Как охладить или разогреть человека

Автор фото, Getty Images

Терморегулирование на индивидуальном уровне имеет огромное значение с точки зрения энергопотребления и здоровья человека.

Более столетия в этой области не происходило ничего революционного, если не считать кондиционирования воздуха в помещениях.

Инженеры в Университете штата Калифорния в Сан-Диего разработали новый тип портативного устройства в виде ткани, которая может вшиваться в одежду и охлаждать или разогревать кожу человека в зависимости от окружающей температуры. Это устройство берет энергию из гибкой батареи, которая также может быть частью одежды.

Исследователи считают, что такие устройства при массовом применении могут сэкономить массу энергии, необходимой для кондиционирования воздуха.

«Устройство такого типа может улучшить ваши ощущения в разных ситуациях — когда, например, вы добираетесь в жару до работы или когда вы мерзнете на рабочем месте в офисе», — говорит Ренкун Чен, профессор университета, который возглавлял группу исследователей.

По его словам, это устройство способно содействовать значительной экономии электроэнергии. Известно, что если летом переключить кондиционеры в большом здании на поддержание температуры на 12 градусов выше обычной, это сокращает расходы на охлаждение на 70%.

Новый вид термоматериала состоит из слоев металлизированной ткани, в составе которой присутствуют термоэлектрические сплавы — то есть материалы, которые трансформируют электрический заряд в разность температур и наоборот, в зависимости от направления тока.

Инженеры изготовили прототип такого устройства в форме сетчатой наручной повязки и испытали его на добровольце. Испытания проходили в помещении с контролируемой температурой. За две минуты устройство охладило кожу до заданной температуры в 32 градуса по Цельсию и затем поддерживало общую температуру кожи в диапазоне между 22 и 32 градусами.

Конечной целью инженеров является соединение множества таких кусочков термоткани в один предмет одежды. Один такой фрагмент имеет вид квадрата со стороной 5 см. Он потребляет 0,2 ватта энергии. Для создания охлаждающего жилета требуется 144 таких фрагментов, которые будут потреблять около 26 ватт, а во время сильной жары — до 80 ватт, то есть примерно столько, сколько использует средний лэптоп.

Переключая направление тока в устройстве, можно добиться либо разогрева, либо охлаждения термоткани.

Для кондиционирования помещения, котором находится 50 человек, тратятся сотни киловатты электроэнергии.

Человечество вступило в новую геологическую эпоху

Автор фото, US Dept of Energy/Wikimedia

Через пару лет Международная комиссия по стратиграфии (МКС) должна будет принять важное решение. Рабочая группа экспертов проголосовала значительным большинством голосов в пользу рекомендации по признанию того, что началась новая геологическая эпоха, которую могут обозначить термином «антропоцен».

МКС — крупнейшая организация в рамках Международного союза геологических наук (МСГН), который представляет 121 страну. Она определяет границы геологических периодов в истории планеты.

Воздействие человека на окружающую среду приобрело такие масштабы, что следы его будут сохраняться миллионы лет. Даже если человечество исчезнет с лица планеты, а развалины городов будут поглощены осадками и движением тектонических плит, изотопный состав горных пород и льдов будет в течение сотен тысяч лет выдавать присутствие человека.

Останутся и другие следы присутствия человека — странные нарушенные геологические структуры, районы химического загрязнения и многочисленные признаки внезапного кризиса в биологическом разнообразии.

Далеко не все геологи согласны с идеей введения нового геологического периода. Их настораживает то, что для обозначения начала «антропоцена» предлагается принять обретение человечеством ядерного оружия и начало ядерных испытаний в средине 1940-х годов.

Археолог из Лестерского университета Матт Эджворт, который входит в рабочую группу МКС, говорит: «Стратиграфические данные недвусмысленно указывают на то, что антропоцен не имеет единой точки начала, а размазан по времени и имеет различные отправные точки».

Признание начала новой эпохи на основании всего одного параметра — например, уровня радионуклидов в геологических породах — препятствует, с точки зрения Эджворта, а не содействует научному пониманию воздействия человека на планету.

Тем не менее, идея признания того, что эпоха голоцена закончилась в 1945 году и началась новая геологическая эпоха, набирает сторонников в среде профессиональных геологов. Однако на ее обсуждение, похоже, уйдут годы. В конце концов, геологи не привыкли торопиться, имея дело с миллионами лет, в течение которых длится типичный геологический период.

Бактерии, которым по вкусу пластик

Автор фото, Science and Space

Проблема пластикового загрязнения океанов волнует миллионы людей. Недавние исследования свидетельствуют, что если темпы поступления пластикового мусора в окружающую среду не изменятся, к 2050 году в океанах будет больше пластика, чем рыбы.

Для решения этой проблемы предлагается множество решений, многие из них весьма экзотические.

В последнее время особое внимание сосредоточено на разработке двух американских студенток — Джини Яо и Миранды Вань, которые сумели создать новый вид бактерий, способных разлагать пластик. Они работают над этим проектом со школьных времен — и теперь довели его до уровня получения патентов. Им также удалось собрать 400 тысяч долларов на проведение дальнейших исследований.

Этот проект уже принес им пять международных наград.

Им удалось выделить бактерии, которые способны перерабатывать пластик в углекислый газ и воду. Студентки предлагают использовать новую технологию в двух целях — для очистки от мусора пляжей и для получения сырья для текстильной промышленности.

Это далеко не единственное исследование в данной области. Недавно международная группа исследователей проанализировала способность морских бактерий переваривать пластик. За пять месяцев микробы способны уменьшить массу частиц полиэтилена на 7%, полистирола — на 11%. Результаты исследования были опубликованы на страницах Journal of Hazardous Materials.

Пластик составляет почти 70% морского мусора, остальное — металл и стекло. Наиболее загрязненные районы мирового океана содержат более 10 миллиардов единиц мусора на квадратный километр.

К таким местам относят пляжи и участки моря у берегов Южной Кореи и Иордании. После длительного пребывания в соленой воде под лучами палящего солнца пластик разрушается до микрочастиц диаметром менее пяти миллиметров. Частички легко проглатывают морские животные: более 1200 видов животных вступают в контакт с мусором.

Присутствующие в морской воде бактерии могут разлагать пластик. Для того, чтобы удостовериться в этом, ученые отобрали выветрившийся пластик (полиэтилен и полистирол) с двух пляжей на греческом острове Крит.

До этого пластмасса уже подверглась солнечному излучению и в результате прошла через ряд химических изменений, которые сделали ее достаточно хрупкой. Именно в таком виде пластик доступен для переваривания бактериями.

Простерилизовав и покрошив крупные единицы, половину образцов ученые погрузили в морскую воду с нативными бактериями, другую половину — в морскую воду с углеродпоедающими бактериями. Изменения регистрировали в течение пяти месяцев.

Вес полиэтилена в обоих случаях упал на 7%, а масса полистирола — на 11%.

Эти исследования носят пока сугубо теоретический характер. Остается неизвестным, как поведут себя новые штаммы бактерий, «съев» весь доступный им пластиковый мусор. Многие микробиологи указывают на опасность появления новых токсичных видов бактерий, что может иметь непредсказуемые последствия для биосферы.

Искусственный фотосинтез превращает СО2 в жидкое топливо

Автор фото, Getty Images

Разработан новый способ искусственного фотосинтеза, конечным продуктом которого станут углеводороды с высокой отдачей энергии, а катализатором выступают наночастицы золота.

В процессе природного фотосинтеза растения преобразуют энергию фотонов солнечного света в глюкозу путем трансформации молекул воды и СО2. Новый процесс имитирует эту способность, не требуя при этом участия хлорофилла.

«Нашей целью стало производство сложных сжижаемых углеводородов из атмосферного СО2 и других возобновляемых ресурсов типа солнечного света», — говорит химик Прашант Джайн из Университета штата Иллинойс.

Реализация на практике искусственного фотосинтеза в широких масштабах дало бы человечеству чистый и надежный источник энергии, одновременно сокращая присутствие в атмосфере парниковых газов.

Джайн уже сравнительно давно занимается этой проблемой. В центре его исследований — использование наночастиц золота в качестве замены хлорофилла — пигмента, который сам выступает в качестве катализатора в природном фотосинтезе.

В проведенных в 2018 году экспериментах ученые обнаружили, что крошечные сферические частицы золота диаметром в несколько нанометров способны поглощать зеленую часть солнечного спектра и передавать фотовозбужденные электроны и протоны.

Новое исследование идет дальше — исследуется процесс переработки СО2 в сложные молекулы углеводородов типа метана и пропана, которые синтезируются путем воздействия зеленого света на ионы в присутствии золотых наночастиц в ионной жидкости, то есть в жидкости, содержащей только ионы.

В ходе этого процесс помимо пропана и метана синтезируются такие сложные углеводороды, как этилен, ацетилен и пропилен.

Практическое применение нового метода будет в конечном итоге зависеть от его производительности.

«Я считаю, что нам понадобится еще не менее десяти лет, чтобы создать экономически рентабельные способы поглощения СО2, фиксации Со2 и трансформации его в жидкое топливо, — отмечает Джайн. — Но каждое новое открытие в этой области приближает нас к этому моменту».

Изобретатели урожая – Огонек № 48 (5593) от 09.12.2019

Новые технологии меняют лицо сельского хозяйства: вертикальные фермы, роботы-косильщики, сенсоры, отслеживающие состояние растений,— это уже реальность. Ближайшая цель — раскрыть секреты фотосинтеза. Получится?

Кирилл Журенков, Эйндховен — Москва

Небольшой робот едет вдоль кустов с томатами — в день этот неутомимый фермер может обработать около сотни рядов, примерно в два раза больше, чем человек. С помощью лазерных сенсоров он улавливает сигналы, поступающие от растений, и «видит» вредителей, болезни, замеряет температуру, степень освещенности и еще множество других параметров… IRIS! — так зовут робота — пример того, как будущее в сельском хозяйстве уже стало настоящим: недавно он оказался победителем престижной премии за «зеленые инновации» GreenTech Innovation Awards.

Но не одними роботами удивляют сегодня фермеры. Как насчет экспериментов с дополненной реальностью, которые проводятся на базе Вагенингенского университета и научно-исследовательского центра (WUR, Нидерланды)? А дроны уже используются, чтобы бороться с засухой или, допустим, распылять удобрения (исследования показывают, что скорость распыления с дронов в пять раз выше обычной). Эксперты уверены: новые технологии прямо сейчас меняют лицо сельского хозяйства. Убедиться в этом легко — достаточно посетить Нидерланды, считающиеся вторым мировым экспортером сельхозпродукции после США.

Голландское чудо

Парадокс: эта небольшая страна, известная своими тюльпанами,— сегодня один из ведущих производителей и экспортеров томатов, лука и картофеля на планете, причем местным фермерам удалось на 90 процентов снизить зависимость от воды, а в животноводстве уменьшить использование антибиотиков на 60 процентов… А вот и вовсе неожиданное достижение: эксперты того же WUR получили первый урожай бананов, выращенных на специальном субстрате!

— Сегодня мировому производству бананов угрожают болезни, передаваемые через почву, и цель проводимых исследований — выведение устойчивых к ним растений. Но снизить риски может и выращивание этих растений на субстрате (например, на минеральной вате или почвосмеси). Так вот в наших исследовательских теплицах действительно были получены бананы высокого качества, без болезней и химикатов,— рассказывает в интервью «Огоньку» профессор Лео Марселис из WUR.

Какие технологии эксперт считает передовыми? Ну, к примеру, светодиодное ассимиляционное освещение. Или автономные теплицы, где люди скоро уступят место всевозможным сенсорам и системам сбора и анализа больших данных (привет искусственному интеллекту).

Еще одна прорывная технология выращивания (кстати, уже хорошо известная в России) — вертикальные фермы. По сути, это фермы, которые можно устроить внутри любого здания (внешне такая ферма напоминает подсвеченные полки с той или иной культурой) и не зависеть ни от погоды на улице, ни от типа почвы. Настоящая находка для ресторанов: с грядки — сразу на стол. При этом, как отмечает профессор Марселис, качество и количество продукции можно предсказать с абсолютной точностью. Из минусов — большой расход электричества и относительно высокая стоимость такой продукции, но и технический прогресс не стоит на месте. Подешевеет.

Впрочем, кто в результате победит, обыкновенные фермы или вертикальные, вопрос пока подвешен: передовое оборудование установлено и там, и тут.

Свет всему голова

Представьте себе идиллический голландский уголок: низенькие кирпичные домики с черепичной крышей, лошади, пасущиеся за загонами из деревянных слег… Здесь, под Эйндховеном, в муниципалитете Сомерен, находится хозяйство известного фермера Вима Петерса. Вим — представитель целой фермерской династии, он еще с дедом начинал выращивать томаты (о чем свидетельствует большая черно-белая фотография прямо на стене офиса) и собирается передать эстафету дальше — своему сыну. Несколько лет назад все здесь было уничтожено мощным градом, но Вим обновил хозяйство и вновь вышел на хорошие мощности: как поясняет сам фермер, новейшее светодиодное освещение позволяет получать более здоровый урожай, а это сразу влияет и на качество, и на количество произведенного. Как свет связан с качеством? Разберемся.

Давно известно, что свет один из основных стимулирующих факторов для роста растений. Однако, оказывается, нужен не просто свет, а правильный свет. Опытным путем, после долгих экспериментов, специалистам удалось установить идеальные «рецепты» для освещения теплиц.

— Необходимо понимать, какой спектр света нужен для той или иной культуры, с какой интенсивностью и сколько часов требуется досвечивать растение, где именно расположить светильник,— перечисляет Вим Стигс из компании Signify (она же — бывшая Philips Lighting), мирового лидера в ассимиляционном освещении. — Когда 30 лет назад я заканчивал университет, мой профессор уверял меня, что выращивание растений при искусственном освещении в теплицах невозможно. Однако с каждым годом эффективность такого освещения росла и с тех пор удвоилась, а с появлением светодиодов процесс пошел еще быстрее. В 2012 году нам удалось вырастить первые томаты на искусственном освещении, в 2015-м к ним прибавились розы, салат…

Нюансов здесь — тысячи. Как отмечает Вим, томаты, к примеру, можно досвечивать максимум 18 часов, если добавить больше — растение будет «работать на износ», а ведь ему тоже требуется отдых. Но вот загадка: розам при этом отдых как раз не нужен — их можно досвечивать без перерыва. Почему — настоящий научный детектив, и до разгадки еще далеко.

Да что там розы: еще лет десять назад специалисты толком не знали, какой спектр освещения подходит для растений в целом. Установить это удалось лишь практическим путем, вот он — секретный рецепт: нужно 80–90 процентов красного и примерно 10–20 процентов света синего спектра. Например, когда для освещения томатов использовали только красный спектр, они разрастались в разные стороны, а листья становились неправильной формы. Революцию совершили светодиоды — они позволили наконец «смешать палитру». Теперь радуются специалисты: перспективы искусственного освещения в сельском хозяйстве — головокружительные.

На кону — фотосинтез

Впрочем, наиболее интригующее направление поисков в этой сфере сегодня связано с другой амбициозной целью — фотосинтезом. Напомним, что фотосинтез — самый крупный фотохимический процесс на Земле, благодаря которому растения получают органические вещества (такие как сахар и крахмал), необходимые для роста. Сами эти вещества вырабатываются в клетках, содержащих хлоропласты (структуры, где и происходит фотосинтез), из углекислого газа и воды на свету. Так вот ученые хотят научиться управлять фотосинтезом.

«Огонек» обратился к директору Ботанического сада МГУ Владимиру Чубу, чтобы понять, насколько эта задача амбициозна.

— Поскольку все мы в той или иной форме нуждаемся в энергии, она должна откуда-то поступать. Для биосферы Земли основной источник энергии — Солнце, а фотосинтез —единственный процесс, преобразующий эту энергию,— объясняет эксперт.— Напомню, что именно в процессе фотосинтеза образуется кислород, который мы используем для дыхания. Не менее важно, что кислородная атмосфера создает на планете определенный температурный режим, комфортный для жизни. И, наконец, не забывайте про озоновый слой — это наша защита от космических излучений. Так что значение кислорода и фотосинтеза трудно переоценить.

Теперь о сельском хозяйстве. Растения используют фотосинтез для производства своего рода строительного материала: из целлюлозы строится тело растения, а сахароза и крахмал откладываются как запасы питательных веществ. Так вот идея специалистов в том, чтобы заставить растения улавливать больше углекислого газа и, соответственно, накапливать больше крахмала и сахара, а также в ускорении этого процесса. Реально?

— Вопрос сложный, поскольку фотосинтез — многоэтапный процесс, и непонятно, что именно ускорять,— говорит Владимир Чуб.— Грубо говоря, если на конвейерном производстве вы ускоряете все этапы, кроме самого медленного, то суммарный эффект будет едва заметен. Так и в фотосинтезе — здесь есть «узкие места». Возьмите, к примеру, процесс фиксации углекислого газа. Специальный фермент рубиско, отвечающий за это, работает со скоростью три молекулы в секунду (для сравнения: скорость фермента каталаза, с которой он способен разложить перекись водорода,— 10 млн молекул в секунду). Как ускорить фиксацию углекислого газа? Мы этого пока не знаем.

Другая проблема, требующая решения,— перераспределение продуктов фотосинтеза. Как поясняет эксперт, нам выгоднее всего, чтобы перераспределение шло в пользу того, что мы едим — крахмала, сахара… Но само растение может решить по-другому. Чтобы большая доля продуктов фотосинтеза распределялась в пользу урожая (например, в пользу зерна, а не соломины у пшеницы), селекционеры получают карликовые сорта.

— Если мы хотим удвоить урожаи в следующие 35 лет, нам нужно найти ответ на этот сложнейший вопрос,— говорит Эрик Шранц, профессор биосистематики WUR (его цитирует Successful farming). В этом университете запущен целый проект, посвященный изучению фотосинтеза.

На помощь призвана и генетика. Вот свежее исследование, проведенное в Университете Шеффилда (Великобритания): там продолжают изучать структуру белкового цитохром-b6f-комплекса, который влияет на рост растений через фотосинтез. Воздействуя на этот комплекс, возможно, удастся вырастить растения, которые будут больше и лучше. А там уже и до повышенной урожайности рукой подать. Другой пример — от ученых из Университета Уотерлу (Канада). Здесь и вовсе создали искусственный лист, который имитирует естественный процесс фотосинтеза. Прорыв? Едва ли.

— Успехи науки пока что довольно скромны,— считает Владимир Чуб.— Каждый год открывают что-то новое. Перспективное направление исследований — экология фотосинтеза. Сегодня известно, что при определенных условиях растения способны переключаться на разные типы фотосинтеза, а ведь раньше это считалось невозможным! Только представьте: мы пытаемся управлять этим процессом, но вдруг «включается» механизм, о котором мы даже не подозревали, и многое в наших представлениях приходится пересматривать. Загадок, связанных с фотосинтезом, все еще достаточно.

Удивительно, но для приручения фотосинтеза могут пригодиться и световые технологии. Сегодня, к примеру, проводятся эксперименты по воздействию на растения световой пульсации: идея в том, чтобы с ее помощью подстегнуть фотосинтез и рост «подопытных». Эксперты, которых «Огонек» попросил прокомментировать эти эксперименты, осторожничают: все может быть. Но в целом смотрят в будущее с надеждой: в силу света здесь верит каждый.

просто и понятно о его значении в биологии

Определение

История открытия

Значение в жизни человека

Формула

Значение для растений

Как происходит

Фазы

Световая фаза

Темновая фаза

Видео

Определение

Процесс фотосинтеза является одним из важнейших биологических процессов, протекающих в природе, ведь именно благодаря ему происходит образование органических веществ из углекислого газа и воды под действием света, именно это явление и называют фотосинтезом. И что самое важное, в процессе фотосинтеза происходит выделение кислорода, жизненно необходимого для существования жизни на нашей удивительной планете.

История открытия

История открытия явления фотосинтеза уходит своими корнями на четыре века в прошлое, когда в далеком 1600 году некий бельгийский ученый Ян Ван Гельмонт поставил не сложный эксперимент. Он поместил веточку ивы (предварительно записав ее начальный вес) в мешок, в котором также находилось 80 кг земли. А затем на протяжении пяти лет растение поливалось исключительно дождевой водой. Каким же было удивление ученого, когда по прошествии пяти лет вес растения увеличился на 60 кг, при том, что масса земли уменьшилась всего лишь на 50 грамм, откуда взялась столь внушительная прибавка в весе, так и оставалось для ученого загадкой.

Следующий важный и интересный эксперимент, ставший преддверием к открытию фотосинтеза, был поставлен английским ученым Джозефом Пристли в 1771 году (любопытно, что по роду своей профессии мистер Пристли был священником англиканской церкви, но в историю вошел именно как выдающийся ученый). Что же сделал мистер Пристли? Он поместил мышь под колпак и через пять дней та умерла. Затем он снова поместил еще одну мышь под колпак, но в этот раз вместе с мышкой под колпаком была веточка мяты и в результате мышь осталась живой. Полученный результат навел ученого на мысль, о том, что существует некий процесс, противоположный дыханию. Еще одним важным выводом этого эксперимента стало открытие кислорода, как жизненно необходимого всем живим существам (первая мышка умерла от его отсутствия, вторая же выжила, благодаря веточке мяты, которая в процессе фотосинтеза как раз создала кислород).

Так был установлен факт, что зеленые части растений способны выделять кислород. Затем уже в 1782 году швейцарский ученый Жан Сенебье доказал, что углекислый газ под воздействием света разлагается в зеленых органоидах растений – фактически была открыта еще одна сторона фотосинтеза. Затем еще через 5 лет французский ученый Жак Бусенго обнаружил, что поглощение растениями воды происходит и при синтезе органических веществ.

И финальным аккордом в череде научных открытий связанных с явлением фотосинтеза стало открытие немецкого ботаника Юлиуса Сакса, которому в 1864 году удалось доказать, что объем потребляемого углекислого газа и выделяемого кислорода происходит в пропорции 1:1.

Значение в жизни человека

Если представить образно, то лист любого растения можно сравнить с маленькой лабораторией, окна которой выходят на солнечную сторону. В этой самой лаборатории идет образование органических веществ и кислорода, являющегося основой для существования органической жизни на Земле. Ведь без кислорода и фотосинтеза на Земле просто бы не существовало жизни.

Но если фотосинтез столь важен для жизни и выделения кислорода, то как живут люди (да и не только люди), например в пустыне, где минимум зеленых растений, или например, в индустриальном городе, где деревья редкость. Дело в том, что на долю наземных растений приходится всего 20% выделяемого в атмосферу кислорода, остальные же 80% выделяются морскими и океанскими водорослями, недаром ведь мировой океан порой называю «легкими нашей планеты».

Формула

Общую формулу фотосинтеза можно записать следующим образом:

Вода + Углекислый газ + Свет > Углеводы + Кислород

А вот такой вид имеет формула химической реакции фотосинтеза

6СО₂ + 6Н₂О = С6Н₁₂О₆ + 6О₂

Значение для растений

А теперь попробуем ответить на вопрос, для чего нужен фотосинтез растениям. В действительности обеспечение кислородом атмосферы нашей планеты, далеко не единственная причина протекания фотосинтеза, этот биологический процесс жизненно необходим не только людям и животным, но и самим растениям, ведь органические вещества, которые образуются в ходе фотосинтеза, составляют основу жизнедеятельности растений.

Как происходит

Главным двигателем фотосинтеза является хлорофилл – специальный пигмент, содержащийся в клетках растений, который помимо всего прочего отвечает за зеленую окрасу листьев деревьев и прочих растений. Хлорофилл представляет собой сложное органическое соединение, обладающее к тому же важным свойством – способностью к поглощению солнечного света. Поглощая его, именно хлорофилл приводит в действие ту маленькую биохимическую лабораторию, содержащуюся в каждом маленьком листочке, в каждой травине и каждой водоросли. Далее происходит химическая реакция фотосинтеза (формулу смотрите выше) в ходе которой и происходит преображение воды и углекислого газа в необходимые растениям углеводы и необходимый всему живому кислород. Механизмы фотосинтеза являются гениальным творением природы.

Фазы

Также процесс фотосинтеза состоит из двух стадий: светлой и темновой. И ниже мы детально напишем о каждой из них.

Световая фаза

Эта фаза осуществляется на мембранах тилакойдов. Что же такое эти тиалакойды? Тилакойды это структуры, находящиеся внутри хлоропластов и ограниченные мембраной.

Порядок процессов световой фазы фотосинтеза выглядит так:

• Свет попадает на молекулу хлорофилла, поглощается зеленым пигментом, чем приводит его в возбужденное состояние. Электрон, который входит в эту молекулу переходит на более высокий уровень и берет участие в процессе синтеза.
• Идет расщепление воды, во время которого протоны, под действием электронов преобразуются в атомы водорода, которые впоследствии расходуются на синтез углеводов.
• На последнем этапе световой фазы фотосинтеза происходит синтез АТФ (Аденозинтрифосфат). АТФ представляет собой органическое вещество, играющее роль своего рода аккумулятора энергии в биологических процессах.

Темновая фаза

Эта фаза фотосинтеза протекает в стромах хлоропластов. Именно в ее ходе происходит выделение кислорода, а также синтез глюкозы. Можно подумать исходя из названия, что темновая фаза фотосинтеза происходит исключительно в темное время суток. На самом деле это не так, синтез глюкозы происходит круглосуточно, просто на этом этапе энергия света больше не расходуется и попросту она не нужна.

Видео

И в завершение интересное образовательное видео про фотосинтез.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.

Эта статья доступна на английском языке – Photosynthesis.

Что такое фотосинтез | Смитсоновский научно-образовательный центр

Когда вы проголодались, вы берете перекус из холодильника или кладовой. Но что могут сделать растения, когда они проголодаются? Вы, наверное, знаете, что растениям для роста нужны солнечный свет, вода и дом (например, почва), но где они берут пищу? Они делают это сами!

Растения называются автотрофами, потому что они могут использовать энергию света для синтеза или создания собственного источника пищи. Многие люди считают , что они «кормят» растение, когда помещают его в почву, поливают или выставляют на солнце, но ни одно из этих действий не считается едой. Скорее, растения используют солнечный свет, воду и газы в воздухе для производства глюкозы, которая является формой сахара, необходимой растениям для выживания. Этот процесс называется фотосинтезом и выполняется всеми растениями, водорослями и даже некоторыми микроорганизмами. Для осуществления фотосинтеза растениям нужны три вещи: углекислый газ, вода и солнечный свет.

Поглощая воду (h3O) через корни, углекислый газ (CO2) из ​​воздуха и световую энергию Солнца, растения могут осуществлять фотосинтез для производства глюкозы (сахара) и кислорода (O2). ПРЕДОСТАВЛЕНИЕ: mapichai/Shutterstock.com

 

Как и вам, растениям для жизни нужны газы. Животные поглощают газы посредством процесса, называемого дыханием. В процессе дыхания животные вдыхают все газы в атмосфере, но единственный газ, который задерживается и не выдыхается сразу, — это кислород. Однако растения поглощают и используют углекислый газ
для фотосинтеза. Углекислый газ проникает через крошечные отверстия в листьях, цветах, ветвях, стеблях и корнях растений. Растениям также требуется вода для приготовления пищи. В зависимости от окружающей среды доступ растения к воде будет разным. Например, пустынные растения, такие как кактус, имеют меньше доступной воды, чем кувшинка в пруду, но у каждого фотосинтетического организма есть какое-то приспособление или особая структура, предназначенная для сбора воды. У большинства растений за поглощение воды отвечают корни.

Последнее требование для фотосинтеза является важным, поскольку оно обеспечивает энергию для производства сахара.Как растение поглощает углекислый газ и молекулы воды и производит молекулу пищи? Солнце! Энергия света вызывает химическую реакцию, которая расщепляет молекулы углекислого газа и воды и реорганизует их с образованием сахара (глюкозы) и газообразного кислорода. После того, как сахар произведен, он расщепляется митохондриями на энергию, которая может быть использована для роста и восстановления. Произведенный кислород высвобождается из тех же крошечных отверстий, через которые проник углекислый газ. Даже выделяющийся кислород служит другой цели.Другие организмы, такие как животные, используют кислород для своего выживания.

Если бы мы написали формулу фотосинтеза, она выглядела бы так:

6CO ₂ + 6H ₂ O + Энергия света → C ₆ H ₁₂ O ₆ (сахар) + 6O ₂ 

8

Весь процесс фотосинтеза представляет собой передачу энергии от Солнца к растению. В каждой созданной молекуле сахара содержится немного солнечной энергии, которую растение может либо использовать, либо сохранить на потом.

Представьте себе горох. Если это растение гороха формирует новые стручки, для его роста требуется большое количество энергии сахара. Это похоже на то, как вы едите пищу, чтобы стать выше и сильнее. Но вместо того, чтобы идти в магазин и покупать продукты, растение гороха будет использовать солнечный свет для получения энергии для производства сахара. Когда стручки гороха
полностью вырастут, растению может уже не понадобиться столько сахара, и оно будет хранить его в своих клетках. Появляется голодный кролик и решает съесть часть растения, которое дает энергию, позволяющую кролику вернуться домой.Откуда взялась энергия кролика? Рассмотрим процесс фотосинтеза. С помощью углекислого газа и воды стручок гороха использовал энергию солнечного света для создания молекул сахара. Когда кролик съел стручок гороха, он косвенно получил энергию от солнечного света, которая запасалась в молекулах сахара в растении.

Спасибо фотосинтезу за хлеб! Зерна пшеницы, подобные изображенным на фото, выращивают на огромных полях. Когда их собирают, они перемалываются в порошок, который мы можем распознать как муку. ПРЕДОСТАВЛЕНИЕ: Елена Швейцер/Shutterstock.com  

 

Люди, другие животные, грибы и некоторые микроорганизмы не могут производить пищу в собственном теле, как автотрофы, но они все еще полагаются на фотосинтез. Передавая энергию от Солнца растениям, растения создают сахара, которые люди потребляют для своей повседневной деятельности. Даже когда мы едим курицу или рыбу, мы передаем энергию Солнца в наши тела, потому что в какой-то момент один организм поглотил фотосинтезирующий организм (т.г., рыба питалась водорослями). Так что в следующий раз, когда вы перекусите, чтобы пополнить свою энергию, поблагодарите за это Солнце!

 

Это выдержка из модуля «Структура и функции » нашей линейки учебных программ «Концепции науки и техники ^TM » (STC). Посетите нашего издателя, Carolina Biological, чтобы узнать больше.

 

[БОНУС ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ] Посмотрите фильм «Фотосинтез: ослепленные светом», чтобы изучить неправильные представления учащихся о материи и энергии в фотосинтезе и о стратегиях, позволяющих выявить у учащихся идеи для их решения или развития на их основе.

Процесс фотосинтеза – обзор

3.

11.2.1 Общие положения

В растениях, водорослях и цианобактериях в процессе фотосинтеза высвобождается O ₂ и удаляется CO ₂ из атмосферы и используется для синтеза углеводов в соответствии со следующей реакцией :

6CO2+12h3O+световая энергия→6(Ch3O)+6O2+6h3O

Фотосинтез состоит из двух световых реакций и процесса фиксации углерода. Преобразование световой энергии в биохимическую происходит посредством фотохимической реакции через фотосистемы II (ФС II) и I (ФС I), которые работают не одновременно, а последовательно.Процесс фиксации углерода представляет собой восстановление CO ₂ до органических соединений за счет использования этой биохимической энергии ферментами цикла Кальвина.

Ранние исследования с использованием освещенной смеси хлоропластов шпината, клостридиальной гидрогеназы и ферредоксина показали, что H ₂ был получен из воды и ингибирован O ₂ , образующимся во время реакции. В процессе фотосинтеза зеленые водоросли окисляют воду и выделяют O ₂ с использованием энергии света, которая, в свою очередь, поглощается ФС II. Это генерирует электроны, которые переносятся на ферредоксин за счет использования энергии света, поглощаемой ФС I. Обратимая гидрогеназа зеленых водорослей принимает электроны непосредственно от восстановленного ферредоксина (Fd) с образованием H ₂ . Следующее уравнение демонстрирует эту реакцию:

2H++2Fdвосстановление→h3+2Fdокисление

Хотя зеленые водоросли обладают генетическим, ферментативным, метаболическим и транспортным механизмом для производства H ₂ , устойчивая фотопродукция H ₂ не наблюдалось из-за чувствительности O ₂ гидрогеназы [1, 4, 5].На основании этого явления продукцию водорослей H ₂ путем биофотолиза воды можно разделить на два типа: прямую и непрямую. Они схематически представлены следующими реакциями:

прямой фотолиз: 2h3O+свет→2h3+O2

непрямой фотолиз: 6h3O+6CO2+свет→6(Ch3O)+6O2

6(Ch3O)+2h3O→4h3+2CO2 +2Ch4COOH

Прямой биофотолиз связывает восстановитель, полученный в результате фотосинтеза, непосредственно с гидрогеназой, одновременно производя O ₂ и H ₂ . Косвенные процессы разделяют эти реакции посредством фиксации CO ₂ .

При прямом фотолизе производство H ₂ ограничено, поскольку гидрогеназа ингибируется O ₂ , образующимся из H ₂ O. Напротив, непрямой фотолиз разделяет производство O ₂ и H ₂ на аэробные и анаэробные фазы (временно) или на отсеки (пространственно). Следовательно, O ₂ не будет вступать в контакт с ферментами, ответственными за производство H ₂ .Это делает систему более устойчивой.

Недавний метод, разработанный для решения проблем ингибирования гидрогеназы кислородом при прямом фотолизе зелеными водорослями, — лишение питательных веществ. В условиях лимитирования сульфатов железо-серные кластеры субъединиц ФС II не могут поддерживаться. Поскольку активность ФС II ингибируется, скорость производства O ₂ снижается, в то время как скорость дыхания остается высокой и устанавливается аноксия, что позволяет экспрессировать гидрогеназы и/или нитрогеназы. Результатом является устойчивое образование H ₂ путем прямого фотолиза [2, 4].

Технологические преимущества непрямого фотолиза вытекают из способа предотвращения инактивации гидрогеназы O ₂ за счет содержания зеленых водорослей в анаэробных условиях. Благодаря фундаментальным исследованиям стало известно, что восстановительная способность (донорство электронов) гидрогеназы не обязательно исходит от воды, но поочередно возникает внутриклеточно из органических соединений, таких как крахмал. Степень, в которой разложение таких соединений влияет на H ₂ , зависит от вида водорослей и условий культивирования.Даже когда органические соединения участвуют в образовании H ₂ , источником электронов может быть вода, поскольку органические соединения синтезируются в результате оксигенного фотосинтеза. Действующим механизмом является гидрогеназа, которая, как считается, становится активной для выделения избыточной восстановительной способности при определенных условиях (например, в анаэробных условиях).

Цианобактерии, ранее известные как сине-зеленые водоросли, обладают способностью подвергать воду непрямому фотолизу и, таким образом, высвобождать H ₂ , и в этом заключается их потенциал для использования в качестве элементов в системах биоконверсии солнечной энергии.Цианобактерии представляют собой большую и разнообразную группу фотоавтотрофных микроорганизмов, и их потребности в питании просты: N ₂ и O ₂ в воздухе, воде, минеральных солях и свете. Они представляют собой морфологически разнообразную группу, включающую одноклеточные, нитчатые и колониальные виды. При определенных условиях роста вегетативные клетки нитчатых цианобактерий могут развиваться в структурно модифицированные и функционально специализированные клетки, такие как покоящиеся клетки, или специализированные клетки, осуществляющие азотфиксацию, такие как гетероцисты.Гетероцисты, развивающиеся из вегетативных клеток и имеющие внешнюю оболочку увеличенной толщины, обеспечивают механизм нитрогеназной защиты от кислорода, снижающий скорость диффузии O ₂ изнутри. В частности, N ₂ -фиксирующие гетероцистные цианобактерии пространственно разделяют продукцию H ₂ и продукцию O ₂ . Локализация нитрогеназы в гетероцистах обеспечивает бескислородную среду, а также способность гетероцистных цианобактерий фиксировать азот воздуха.Чувствительные к O ₂ нитрогеназы очень важны для поддержания азотного цикла и являются катализаторами образования H ₂ , развивая H ₂ одновременно с фиксацией N ₂ в NH ₃ , как показано. ниже. Этот процесс является управляемой светом и зависимой от АТФ энергоемкой реакцией.

N2+8H++8e−+16ATP→2Nh4+h3+16ADP+16Pi

Как происходит фотосинтез в наших океанах? · Границы для молодых умов

Аннотация

Пища, которую мы едим, прямо или косвенно поступает из растений.Нельзя недооценивать важность растений как глобальной кухни. Растения «съедают» солнечный свет и углекислый газ, чтобы производить себе пищу и пищу для миллионов других организмов, зависящих от них. Молекула хлорофилл (Chl) имеет решающее значение для этого процесса, так как он поглощает солнечный свет. Однако то, как наземные растения производят свою пищу, сильно отличается от того, как растения в океанах производят свою пищу. Поскольку свету трудно проникнуть под воду в океанах, производство пищи, научно называемое фотосинтезом, становится очень медленным.Фикобилипротеины — это белки, которые облегчают эту работу, поглощая доступный свет и передавая его Chl. Эти фикобилипротеины обнаружены в крошечных невидимых организмах, называемых цианобактериями. Их реакции «производства пищи» имеют решающее значение для выживания многих живых организмов, таких как рыбы, птицы и другие морские обитатели. Поэтому каждому очень важно понимать, как цианобактерии производят себе пищу и какую важную роль в этом процессе играют фикобилипротеины.

Как живые существа получают пищу?

Когда вы думаете о еде, вы обычно представляете свою любимую еду? Это естественный процесс, так как пища важна для всего живого. Чтобы удовлетворить эту основную потребность, все живые существа либо сами производят пищу, либо получают ее из какого-либо другого источника. Люди могут есть как растения, так и животных. Некоторые животные потребляют других животных, в то время как некоторые животные едят растения в качестве пищи. В конце концов, мы видим, что все на этой планете питаются растениями. Но тогда что едят растения? На самом деле, растения «питаются» солнечным светом и газом, называемым углекислым газом, которые легко доступны прямо здесь, на Земле. Процесс, посредством которого наземные растения производят себе пищу, используя солнечный свет и углекислый газ, известен как фотосинтез (рис. 1).В то время как углекислый газ поглощается листьями, солнечный свет улавливается химической молекулой растения, которая называется хлорофиллом (Chl). Все фотосинтезирующие организмы содержат Chl.

• Рис. 1. Упрощенное представление о том, как растения производят для нас пищу.
• Листья зеленых растений содержат хлорофилл, который поглощает солнечный свет для производства пищи. Эта пища затем используется самим растением, а также другими животными, включая человека.

Однако то, как наземные растения осуществляют фотосинтез, не помогает организмам, живущим в океанах, которые покрывают почти 70% нашей земли.Растениям в океанах не хватает света. Синяя и зеленая части света проникают в воду больше, чем желтая и красная части света (рис. 2). К счастью, океанские растения получают пищу из такого ограниченного количества света и углекислого газа, из крошечных микроскопических микробов, называемых цианобактериями (также известными как сине-зеленые водоросли). Эти микробы приспособились к условиям тусклого освещения, и фотосинтез они осуществляют как для себя, так и на благо других живых существ.Цианобактерии — это древние микробы, живущие на нашей земле миллиарды лет. Говорят, что цианобактерии несут ответственность за создание насыщенной кислородом атмосферы, в которой мы живем [1]. Для осуществления фотосинтеза в условиях низкой освещенности цианобактерии используют белки, называемые фикобилипротеинами , которые находятся в клеточных мембранах (внешнем покрытии) цианобактерий.

• Рисунок 2 – Проникновение солнечного света в океаны.
• Солнечный свет состоит из разных цветов: V, фиолетовый; Б, синий; г, зеленый; Y, желтый; О, оранжевый; и R, красный.Синий и зеленый цвета достигают глубины до 200 м в толще воды, в то время как все остальные цвета, включая фиолетовый, достигают глубины только до первых 100 м в океане. Стрелки обозначают глубину, на которую различные цвета света достигают океанов.

Что такое фикобилипротеины?

Фикобилипротеины играют роль помощников Хл в водных (водных) средах. Поскольку свету трудно проникнуть в океаны, фикобилипротеины облегчают эту работу, поглощая любой доступный свет; они поглощают зеленую часть света и превращают ее в красный свет, который является цветом света, требуемым Chl [2]. Однако изменить цвет света не так просто, как кажется. Зеленый свет должен проходить через разные молекулы фикобилипротеинов, которые поглощают свет одного цвета и испускают свет другого цвета. Затем испускаемый цвет поглощается вторым фикобилипротеином, который превращает его в третий цвет. Этот процесс продолжается до тех пор, пока излучаемый свет не станет красным, что, наконец, может быть поглощено Chl. Чтобы весь этот процесс происходил, у нас есть три разных типа молекул фикобилипротеина, расположенных как своего рода шляпа над молекулой хлорофилла, как вы можете видеть на рисунке 3.Эти три вида фикобилипротеинов:

• (a) C-фикоэритрин (CPE), розовато-красного цвета, отвечающий за поглощение зеленой части солнечного света.

• (b) C-фикоцианин (CPC), темно-синего цвета, отвечающий за поглощение оранжево-красной части солнечного света.

• (c) Аллофикоцианин (APC) светло-голубого цвета, отвечающий за поглощение красной части солнечного света.

• Рис. 3. Шляпообразное расположение фикобилипротеинов и хлорофилла (Хл) у цианобактерий.
• Зеленый свет сначала поглощается C-фикоэритрином, который передает его C-фикоцианину (CPC). CPC далее передает световую энергию аллофикоцианину (APC), который передает ее Chl для фотосинтеза с использованием красного света.

Причина, по которой фикобилипротеины поглощают свет разных цветов, заключается в том, что они содержат внутри себя химические молекулы, называемые билинами, которые придают им яркие цвета. Эти билины ответственны за поглощение света одного цвета и испускание света другого цвета, что вызывает изменение цвета света.Усовершенствованные инструменты позволили нам проанализировать расположение этих молекул и белков в цианобактериях. Мы знаем, что фикобилипротеины имеют форму дисков [3], и эти диски уложены друг на друга, образуя шляпоподобную структуру. Один конец стека сделан из CPE, а другой конец из CPC. Эта сборка соединяется с сердечником, изготовленным из APC. Вся эта структура связана с Chl, который принимает красный свет, излучаемый APC. Расположение шляпоподобной структуры показано на рисунке 3.

Как происходит перенос световой энергии в фикобилипротеинах?

Изменение цвета света с зеленого на красный происходит в результате процесса, известного как флуоресценция . Давайте посмотрим, что такое флуоресценция. Представьте себе прозрачный контейнер, наполненный жидкостью розового цвета, которая при освещении фонариком светится ярко-оранжевым цветом! Это именно то, что делает CPE (рис. 4). Все фикобилипротеины обладают этим захватывающим свойством испускать видимый свет цвета, отличного от цвета света, который на них падает.После того, как CPE меняет зеленый свет на желто-оранжевый, CPC принимает желто-оранжевый свет и меняет его на светло-красный. APC подхватывает этот светло-красный свет и меняет его на темно-красный для Chl. Итак, теперь у нас есть зеленый свет, измененный на красный, который является цветом света, который природа намеревалась поглотить Chl. Весь процесс представляет собой своего рода эстафету, где каждый участник продолжает с того места, где остановился предыдущий (рис. 5). Эти фикобилипротеины являются важной частью крошечных микроскопических организмов, называемых цианобактериями, которые осуществляют фотосинтез почти так же, как наземные растения.Разница лишь в том, что они используют другой набор химических молекул: цианобактерии используют фикобилипротеины, а наземные растения используют Chl.

• Рисунок 4. Флуоресцентная характеристика C-фикоэритрина (CPE).
• Белый цвет света фонарика меняется на желтовато-оранжевый с помощью CPE, который поглощается C-фикоцианином.

• Рисунок 5. Фикобилипротеины изменяют цвет света с зеленого на красный, чтобы его можно было использовать для фотосинтеза.
• Свет зеленого цвета поглощается C-фикоэритрином (CPE), который изменяет цвет света на желтовато-оранжевый. Оранжевый свет поглощается C-фикоцианином (CPC), который в дальнейшем меняет его на светло-красный. Светло-красный цвет поглощается аллофикоцианином (АРС), который изменяет его цвет на красный. Красный цвет, наконец, поглощается хлорофиллом для производства пищи посредством фотосинтеза.

Чему мы научились?

Итак, теперь мы знаем, что фотосинтез — это процесс, посредством которого растения производят пищу, используя Chl.Мы также знаем, что ограниченное количество света, доступного в океанах, снижает этот процесс фотосинтеза. Природа создала некоторые химические молекулы-помощники, известные как фикобилипротеины, которые способны поглощать цвета света, доступные в океанах, и превращать этот свет в цвет, который могут использовать молекулы хлорофилла. Эти фикобилипротеины обнаружены в крошечных, невидимых невооруженным глазом цианобактериях, чей фотосинтез отвечает за обеспечение пищей живых организмов в океанах, а также за производство кислорода в нашей атмосфере, которым мы дышим каждую секунду.Разве не здорово, что эти крошечные организмы могут иметь такое значение для морской жизни? В будущем мы надеемся лучше понять функции фикобилипротеинов и ту роль, которую они могут играть на благо человечества.

Глоссарий

Фотосинтез : ↑ Процесс, при котором растения производят пищу для себя и других организмов, используя солнечный свет и углекислый газ.

Хлорофилл : ↑ Химическая молекула, присутствующая в растениях, которая поглощает солнечный свет для фотосинтеза.

Фикобилипротеины : ↑ Цветные пигменты, содержащиеся в цианобактериях и некоторых других организмах, которые участвуют в фотосинтезе, поглощая определенные цвета света, которые хлорофилл не может поглощать.

Флуоресценция : ↑ Свойство некоторых соединений поглощать свет одного цвета и излучать другой цвет. Фикобилипротеины используют это свойство для изменения цвета поглощаемого ими света, чтобы свет можно было использовать для фотосинтеза.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

---

Благодарности

Этой рукописи присвоен регистрационный номер CSIR-CSMCRI – 114/2016. TG выражает благодарность AcSIR за докторскую степень. регистрация и CSIR (CSC 0105) для финансовой поддержки.

---

Каталожные номера

[1] ↑ Сидлер, В.А. 1994. Структура фикобилисом и фикобилипротеинов. В: Брайант, Д.А., изд. Молекулярная биология цианобактерий. Дордрехт: Спрингер. п. 139–216.

[2] ↑ Гош Т., Паливал К., Маурья Р. и Мишра С. 2015. Радужные цвета микроводорослей для применения в нутрицевтиках и фармацевтике. В: Бахадур, Б., Венкат Раджам, М., Сахиджрам, Л., и Кришнамурти, К.В., редакторы. Биология растений и биотехнология: Том I: Разнообразие растений, организация, функции и улучшение.Нью-Дели: Спрингер. п. 777–91.

[3] ↑ Сатьянараяна, Л., Суреш, К.Г., Патель, А., Мишра, С., и Гош, П.К. 2005. Рентгенокристаллографические исследования С-фикоцианинов из цианобактерий из различных местообитаний: морских и пресноводных. Акта Кристаллогр. Разд. F 61 (9): 844–7. дои: 10.1107/S1744309105025649

8.1A: Цель и процесс фотосинтеза

В процессе фотосинтеза энергия света преобразуется в химическую энергию, которая может использоваться организмами для различных метаболических процессов.

Цели обучения

• Описать процесс фотосинтеза

Ключевые моменты

• Фотосинтез возник как способ хранения энергии солнечного излучения в виде высокоэнергетических электронов в молекулах углеводов.
• Растения, водоросли и цианобактерии, известные как фотоавтотрофы, являются единственными организмами, способными осуществлять фотосинтез.
• Гетеротрофы, неспособные производить себе пищу, полагаются на углеводы, вырабатываемые фотосинтезирующими организмами, для удовлетворения своих энергетических потребностей.

Основные термины

• фотосинтез : процесс, посредством которого растения и другие фотоавтотрофы вырабатывают углеводы и кислород из углекислого газа, воды и энергии света в хлоропластах
• фотоавтотроф : организм, который может синтезировать свою собственную пищу, используя свет в качестве источника энергии
• хемоавтотроф : простой организм, такой как простейшее, который получает энергию в результате химических процессов, а не фотосинтеза

Важность фотосинтеза

Процессы всех организмов — от бактерий до человека — требуют энергии. Чтобы получить эту энергию, многие организмы получают доступ к запасенной энергии, потребляя пищу. Хищники едят других животных, а травоядные едят растения. Но откуда берется запасенная в пище энергия? Вся эта энергия восходит к процессу фотосинтеза и световой энергии солнца.

Фотосинтез необходим для всей жизни на Земле. Это единственный биологический процесс, который улавливает энергию из космоса (солнечный свет) и преобразует ее в химическую энергию в форме G3P (
глицеральдегид-3-фосфат), который, в свою очередь, может быть превращен в сахара и другие молекулярные соединения.Растения используют эти соединения во всех своих метаболических процессах; растениям не нужно потреблять другие организмы в пищу, потому что они строят все необходимые им молекулы. В отличие от растений, животные должны потреблять другие организмы, чтобы потреблять молекулы, необходимые им для их метаболических процессов.

Процесс фотосинтеза

Во время фотосинтеза молекулы в листьях улавливают солнечный свет и возбуждают электроны, которые затем накапливаются в ковалентных связях молекул углеводов. Эта энергия внутри этих ковалентных связей будет высвобождаться, когда они разрываются во время клеточного дыхания. Насколько долговечны и стабильны эти ковалентные связи? Энергия, извлекаемая сегодня при сжигании угля и нефтепродуктов, представляет собой энергию солнечного света, захваченную и сохраненную в результате фотосинтеза почти 200 миллионов лет назад.

Растения, водоросли и группа бактерий, называемых цианобактериями, являются единственными организмами, способными осуществлять фотосинтез. Поскольку они используют свет для производства собственной пищи, их называют фотоавтотрофами («самопитающимися, использующими свет»).Другие организмы, такие как животные, грибы и большинство других бактерий, называются гетеротрофами («другими кормушками»), потому что они должны полагаться на сахара, вырабатываемые фотосинтезирующими организмами для удовлетворения своих энергетических потребностей. Третья очень интересная группа бактерий синтезирует сахара, не используя энергию солнечного света, а извлекая энергию из неорганических химических соединений; следовательно, их называют хемоавтотрофами.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Фотосинтетические и хемосинтетические организмы : Фотоавтотрофы, включая (а) растения, (б) водоросли и (в) цианобактерии, синтезируют свои органические соединения посредством фотосинтеза, используя солнечный свет в качестве источника энергии.Цианобактерии и планктонные водоросли могут разрастаться в воде на огромных площадях, иногда полностью покрывая поверхность. В (г) глубоководном жерле хемоавтотрофы, такие как эти (д) термофильные бактерии, захватывают энергию неорганических соединений для производства органических соединений. В экосистеме, окружающей жерла, обитает множество разнообразных животных, таких как трубчатые черви, ракообразные и осьминоги , которые получают энергию от бактерий.

Важность фотосинтеза не только в том, что он может улавливать энергию солнечного света.Ящерица, загорающая в холодный день, может использовать солнечную энергию, чтобы согреться. Фотосинтез жизненно важен, потому что он развился как способ хранения энергии солнечного излучения (часть «фото-») в виде высокоэнергетических электронов в углерод-углеродных связях молекул углеводов (часть «-синтеза»). Эти углеводы являются источником энергии, которую гетеротрофы используют для обеспечения синтеза АТФ посредством дыхания. Таким образом, фотосинтез питает 99 процентов экосистем Земли. Когда высший хищник, такой как волк, охотится на оленя, волк оказывается в конце энергетического пути, идущего от ядерных реакций на поверхности солнца к свету, фотосинтезу, растительности, оленям и наконец, волк.

Фотосинтез в растениях

В мире существует множество видов растений. Некоторые приспособились к условиям пустыни, а другие приспособились к холодному климату. Есть также растения, которые могут выжить только в прохладных, влажных местах с достаточным количеством солнечного света. Эти различия в климатических условиях и экосистемах привели к различным типам фотосинтеза у растений. Существует три типа фотосинтеза: C3, C4 и САМ-фотосинтез.

Определение фотосинтеза и общее уравнение можно найти в разделе «Обзор фотосинтеза».

Растения осуществляют фотосинтез, потому что он генерирует пищу и энергию, необходимые им для роста и клеточного дыхания. Важно отметить, что не все растения фотосинтезируют. Некоторые являются паразитами и просто прикрепляются к другим растениям и питаются ими.

Для осуществления фотосинтеза растениям требуется световая энергия солнца, воды и углекислого газа. Вода всасывается из почвы в клетки корней. Вода проходит от корневой системы к сосудам ксилемы в стебле, пока не достигнет листьев.Углекислый газ поглощается из атмосферы через поры в листьях, называемые устьицами. Листья также содержат хлоропласты, содержащие хлорофилл. Солнечная энергия улавливается хлорофиллом.

Листья необходимы для благополучия растений. Большинство реакций, участвующих в процессе фотосинтеза, происходят в листьях. На приведенной ниже диаграмме показано поперечное сечение типичного листа растения.

Структура листьев растений

 

«Структура ткани листа»
авторское право 2011 Zephyris, используется в рамках Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Неперенесенная лицензия:
https://creativecommons. org/licenses/by-sa/3.0

Типичный лист растения включает следующие

• Верхний и нижний эпидермис – верхний эпидермис представляет собой внешний слой клеток, который контролирует количество воды, теряемой при транспирации.
• Устьица – это поры (отверстия) в листьях, отвечающие за газообмен между листьями растения и атмосферой. Углекислый газ поглощается из атмосферы, а кислород выделяется.
• Мезофилл – это фотосинтезирующие (паренхимные) клетки, располагающиеся между верхним и нижним эпидермисом. Эти клетки содержат хлоропласты.
• Сосудистый пучок – это ткани, входящие в состав транспортной системы растения. Сосудистые пучки состоят из сосудов ксилемы и флоэмы, которые транспортируют воду, растворенные минеральные вещества и питательные вещества к листьям и от них.

Процесс фотосинтеза (поэтапно)

Светозависимые реакции и цикл Кальвина являются двумя основными стадиями фотосинтеза у растений.

Светозависимые реакции

Первой стадией фотосинтеза являются реакции, зависящие от света.  Эти реакции происходят на тилакоидной мембране внутри хлоропласта. На этом этапе энергия света преобразуется в АТФ (химическая энергия) и НАДФН (восстановительная энергия).

Светозависимые реакции

Свет поглощается двумя фотосистемами, называемыми фотосистемой I (PSI) и фотосистемой II (PSII).  Эти белковые комплексы содержат светособирающие молекулы хлорофилла и вспомогательные пигменты, называемые антенными комплексами.Фотосистемы также снабжены реакционными центрами (РЦ). Это комплексы белков и пигментов, отвечающие за преобразование энергии. Молекулы хлорофилла PSI поглощают свет с максимальной длиной волны 700 нм и называются молекулами P700. Молекулы хлорофилла ФС II поглощают свет с максимальной длиной волны 68 ​​нм и называются молекулами Р68О.

Светозависимые реакции начинаются в PSII .

• Фотон света поглощается молекулой хлорофилла P680 в светособирающем комплексе ФС II.

• Энергия, генерируемая светом, передается от одной молекулы хлорофилла P680 к другой, пока не достигнет реакционного центра (РЦ) ФС II.

• В RC находится пара молекул хлорофилла P680. Электрон в молекулах хлорофилла возбуждается в результате более высокого уровня энергии. Возбужденный электрон становится неустойчивым и высвобождается. Еще один электрон высвобождается после захвата еще одного фотона света светособирающим комплексом и передачи энергии реакционному центру.

• Электроны транспортируются в цепи белковых комплексов и мобильных переносчиков, называемой цепью переноса электронов (ETC). Пластохинон является мобильным переносчиком, который переносит электроны от реакционного центра ФС II к комплексу цитохрома b6f, как показано на диаграмме выше.

• Электроны, потерянные из ФС II, замещаются расщеплением воды светом в процессе, называемом фотолизом. Вода используется в качестве донора электронов в оксигенном фотосинтезе и расщепляется на электроны (e-), ионы водорода (H+, протоны) и кислород (O2).Ионы водорода и кислорода высвобождаются в просвет тилакоидов. Позже кислород выделяется в атмосферу как побочный продукт фотосинтеза.

• В то время как электроны проходят через ЭТЦ через пластохинон, ионы водорода (протоны) из стромы также переносятся и высвобождаются в просвет тилакоидов. Это приводит к более высокой концентрации ионов водорода (протонный градиент) в просвете.

• В результате протонного градиента в просвете ионы водорода переносятся на АТФ-синтазу и обеспечивают энергию, необходимую для объединения АДФ и Pi с образованием АТФ.

• Цитохром b6f передает электроны пластоцианину, который затем переносит их в Фотосистему I.  

Теперь электроны достигли PSI .

• Они снова получают энергию, но на этот раз от света, поглощаемого молекулами хлорофилла P700.

• Электроны переносятся на подвижный носитель, ферредоксин.

• Затем они транспортируются к ферредиксин-НАДФ-редуктазе (ФНР), которая является конечным акцептором электронов. В этот момент электроны и ион водорода объединяются с НАДФ+, образуя НАДФН.

• Потерянные электроны из PSI замещаются электронами из PSII через цепь переноса электронов.

Обзор светозависимых реакций

Поток электронов

Фотосистема II —> комплекс b6-f —> Фотосистема I —> НАДФ-редуктаза

Роль фотолиза

Использует свет для разделения воды на следующие части:

• Электроны – пожертвовано PSII для замены потерянных электронов
• Ионы водорода – транспортируются к АТФ-синтазе, чтобы обеспечить энергию для производства АТФ
• Кислород – выбрасывается в атмосферу как побочный продукт

Продукты

• АТФ – химическая энергия
• НАДФН – восстанавливающая способность/донор электронов

Светозависимые реакции Анимация

Цикл Кальвина

Второй этап фотосинтеза – цикл Кальвина. Эти реакции происходят в строме хлоропласта. Энергия АТФ и электроны НАДФН используются для превращения углекислого газа в глюкозу и другие продукты.

«Обзор цикла цикла Кальвина».

• Одна молекула диоксида углерода объединяется с одной молекулой рибулозобисфосфата (РБФ). Важно отметить, что RuBP представляет собой 5-углеродную молекулу.Когда он соединяется с CO2, в результате реакции образуется нестабильный 6-углеродный промежуточный продукт.

• Нестабильный 6-углеродный промежуточный продукт быстро распадается с образованием двух 3-углеродных молекул, известных как 3-фосфоглицерат (PGA).

• Две молекулы 3-фосфоглицерата получают энергию от АТФ и производят две молекулы 1,3-бисфосфоглицерата (BPGA).

• Электрон от НАДФН соединяется с каждой молекулой 1,3-бисфосфоглицерата с образованием двух молекул глицеральдегид-3-фосфата (Г3Ф).

Для получения одной молекулы глюкозы необходимы две молекулы глицеральдегид-3-фосфата.

Следующим важным этапом цикла является регенерация RuBP. Проблема в том, что не хватает G3P. Мы провели цикл только один раз с одной молекулой CO2 и одной молекулой RuBP. Были получены только две молекулы G3P. Нам все еще нужны дополнительные десять молекул G3P, чтобы цикл продолжался.

Если вы еще раз взглянете на уравнение фотосинтеза, то заметите, что для процесса фотосинтеза необходимы шесть молекул углекислого газа (6CO2).

Эти шесть молекул CO2 должны быть использованы для производства двенадцати G3P. Это означает, что описанные выше шаги должны быть повторены еще пять раз, чтобы получить десять дополнительных молекул G3P.

Две молекулы G3P будут использованы для производства глюкозы, а остальные десять будут использованы для регенерации RuBP.

Что такое фотосинтез? — Дыхание и газообмен — KS3 Biology — BBC Bitesize

Профессор Брайан Кокс: Вся жизнь зависит от потока энергии, который передается от одной формы жизни к другой. И есть одно существо, которое лучше других воплощает в себе то, как это происходит. Это Золотая Медуза.

Уникальный подвид, обитающий только в этом озере, на этом острове, в крошечной микронезийской республике Палау. Золотые медузы эволюционировали, чтобы делать то, на что способны очень немногие другие животные». Это действительно невероятно. Насколько вы можете видеть, на всем протяжении, пока не исчезнет свет, есть медузы. И вы можете видеть, что они собрались на солнце. Если вы пойдете туда, туда, где озеро в тени, их просто нет.А потом в этом озерце света под солнцем их миллионы. Красиво элегантные вещи просто плавают вокруг.

В этом озере обитает более 20 миллионов медуз, чей успех зависит от удивительной адаптации. В их телах обитают тысячи других организмов. Фотосинтезирующие водоросли, которые получают энергию непосредственно от солнечного света. И после сбора он передается медузам для использования.

Энергия течет от солнца к водорослям и медузам.’ Те, что на поверхности, мягко поворачиваются, и причина, по которой они это делают, состоит в том, чтобы дать всем своим водорослям равную дозу солнечного света. «И не только их анатомия приспособлена к сбору солнечной энергии. Каждое утро, когда восходит солнце, медузы начинают плыть на восток». И по мере того, как солнце движется по небу, они снова возвращаются к западу, где проводят ночь. Итак, у медуз прекрасные, интимные и сложные отношения с положением солнца на небе. «Поскольку солнечный свет улавливается их водорослями, он преобразуется в химическую энергию. Энергия, которую они используют для соединения простых молекул, воды и углекислого газа, для получения гораздо более сложной молекулы: глюкозы.Поглощенные медузой, глюкоза и другие молекулы не только обеспечивают их ежедневное путешествие по озеру, но и обеспечивают основные строительные блоки, которые медузы используют для выращивания элегантных и сложных структур своего тела.

Таким образом, медузы с помощью своих симбиотических водорослей поглощают свет, энергию солнца и используют ее, чтобы хорошо жить, для питания своих жизненных процессов. И это верно, прямо или косвенно, для каждой формы жизни на поверхности нашей планеты. «Энергия солнца, омывающая Землю, используется в процессе фотосинтеза.

После трансформации он передается от одной формы жизни к другой в качестве пищи. Поток энергии оживляет все живое.

Фотосинтез

Фотосинтез Фотосинтез :

Фотосинтез — это процесс, посредством которого зеленые растения и некоторые другие организмы преобразуют энергию света в химическую энергию. Фотосинтез в зеленых растениях использует энергию солнечного света для превращать углекислый газ, воду и минералы в органические соединения и газообразный кислород.

Помимо зеленых растений, к фотосинтезирующим организмам относятся некоторые простейшие (например, эвгленоидные и диатомовые водоросли), цианофиты (сине-зеленые водоросли) и различные бактерии.Процесс в фотосинтезирующие протисты и цианофиты напоминают зеленые растения; отличается от фотосинтезирующих бактерий тем, что соединения кроме воды служат в качестве реагента и кислород не производится. Все фотосинтезирующие организмы, за исключением небольшой группы бактерии, галобактерии – содержат светопоглощающий пигмент хлорофилл, играющий ключевую роль в передаче энергии от света к химическим соединениям.

Фотосинтез – это основной процесс, поддерживающий жизнь на Земной шар.Живые клетки превращают пищу в энергию и структурные компоненты. Почти все организмы получают эту пищу непосредственно или косвенно, из органических соединений, образующихся в растениях в процессе фотосинтез. Запасенная энергия в этих соединениях необходима для рост, ремонт, размножение, движение и другие жизненно важные функции. Без фотосинтеза не только пополнение фундаментальное прекращение снабжения продовольствием, но Земля в конечном итоге станет лишенный кислорода.

Так же, как органические молекулы в телах живых организмов содержат энергию, преобразованную фотосинтезом из энергии Солнце, как и молекулы ископаемого топлива.Энергия, обеспечиваемая уголь, нефть и газ образуются в результате фотосинтеза растений прежние времена и сохраненные на протяжении веков, чтобы быть выпущенными сжигание в современных промышленных процессах. Большая часть энергии высвобождается как при сжигании ископаемого топлива, так и при метаболизме живые клетки выделяются в виде тепла и должны быть заменены постоянный приток лучистой энергии от Солнца.

Основными органическими продуктами фотосинтеза растений являются углеводы. Показано образование простого углевода глюкозы. по уравнению

Образовавшиеся молекулы глюкозы обычно связаны с другими молекул с образованием более сложных углеводов.Другие продукты фотосинтеза образуются путем включения минеральных элементов в процесс. Энергия, необходимая для разрыва химических связей в реагентов и создавать новые связи в продуктах обеспечивается светлый. Избыточная энергия, не израсходованная в химических реакциях, равна запасается в виде химической энергии в образующихся органических продуктах.

Скорость фотосинтеза зависит от следующих факторов: Факторы окружающей среды: освещенность, температура и наличие углекислого газа, воды и некоторых минералов.А недостаток любого из этих факторов может ограничить скорость фотосинтеза, а также увеличение скорости лимитирующих фактор до определенного момента ускорит процесс. Ставка также зависит от вида растения и его физиологического состояния.