Фотосинтез — это магия природы, когда свет (слово «фотосинтез» берет свое начало из древнегреческого φῶς, что означает «свет») превращается в энергию. Другая часть этого слова — σύνθεσις — говорит нам о «соединении» или «создании». Это процесс, когда растения, используя свои уникальные пигменты, например, хлорофилл, преобразуют световую энергию в органические вещества. Некоторые микроорганизмы, такие как бактерии, используют другие пигменты, такие как бактериохлорофилл или бактериородопсин.
Когда мы говорим о фотосинтезе в контексте биологии растений, мы часто имеем в виду удивительное умение растений не просто поглощать свет, но и преобразовывать его в энергию для различных важных реакций. Это помогает растениям превращать углекислый газ из воздуха в органические молекулы, которые они используют для роста и выживания.
Фотосинтез — это уникальный процесс, благодаря которому растения, водоросли и некоторые бактерии могут преобразовывать солнечный свет в химическую энергию, запасая её в виде глюкозы — углеводов, которые служат «топливом» для жизнедеятельности растений. Фотосинтез — это удивительный процесс, в котором растения, водоросли и некоторые бактерии превращают световую энергию в органические вещества. Этот процесс был изучен еще в биологии 6 класса, но давайте рассмотрим его более детально.
Основные участники процесса
Свет
Источник энергии для фотосинтеза. Под воздействием света активируются хлоропласты — органеллы, содержащие хлорофилл.
Хлорофилл
Зеленый пигмент в растениях, который абсорбирует солнечный свет и запускает процесс фотосинтеза.
Диоксид углерода (CO2)
Необходим для производства глюкозы.
Вода (H2O)
Другой необходимый компонент, который растения получают из почвы через свои корни.
Процесс фотосинтеза
Фотосинтез можно представить следующим образом:
6CO₂ + 6H₂O + свет → C₆H₁₂O₆ + 6O₂Это уравнение говорит нам о том, что под воздействием света диоксид углерода и вода преобразуются в глюкозу и кислород.
Фотосинтез — это биохимический процесс, в котором у растений, водорослей и некоторых бактерий под действием света из воды и углекислого газа образуют органические вещества. Кратко определение фотосинтеза можно дать следующим образом: это процесс, в ходе которого в листьях образуется глюкоза, основной продукт, служащий источником энергии для растений.
Что такое фотосинтез и как он протекает у растений? Это основной механизм, благодаря которому образуются органические вещества, необходимые для их роста и развития. Процессы фотосинтеза протекают в специализированных структурах клетки, называемых хлоропластами. Характеристика фотосинтеза включает в себя две фазы: световую и темновую. В световой фазе с помощью пигмента хлорофилла и других светочувствительных пигментов происходит превращение световой энергии в химическую, в процессе фотосинтеза образуется кислород как побочный продукт. В темновой фазе глюкоза образуется из углекислого газа и воды, используя энергию, полученную в световой фазе. Таким образом, продукт фотосинтеза — это глюкоза, а кислород выделяется в атмосферу.
Чем характеризуется фотосинтез у других организмов? Несмотря на то, что основной механизм схож, есть различия в деталях, зависящие от специфики организма.
Стадии фотосинтеза
Фотосинтез состоит из двух основных стадий: световой и темновой. В световой фазе фотосинтеза происходит образование химической энергии, а в темновую фазу фотосинтеза происходит образование органических веществ из диоксида углерода и воды.
Фаза световых реакций фотосинтеза
Фаза световых реакций — это начальный этап фотосинтеза, который зависит от доступности света. Этот процесс происходит в структурах хлоропластов, известных как граны.
Граны содержат хлорофилл — зеленый пигмент, который абсорбирует световую энергию. Когда свет попадает на хлорофилл, он возбуждает его молекулы, инициируя цепь химических реакций. Эта абсорбированная световая энергия ключевого значения используется для преобразования молекул воды (H₂O) в молекулы кислорода (O₂), который высвобождается в атмосферу.
Параллельно с этим происходит производство двух ключевых молекул — ATP и NADPH. ATP (аденозинтрифосфат) и NADPH служат основными источниками энергии и электронов для следующего этапа фотосинтеза — темновой фазы, где происходит синтез органических веществ из углекислого газа.
Таким образом, в фазе световых реакций растения преобразуют световую энергию в химическую энергию, сохраняя ее в молекулах ATP и NADPH. Эти «батареи» энергии будут использоваться на следующих этапах фотосинтеза для производства органических веществ, таких как глюкоза.
Световая фаза фотосинтеза — это действительно удивительный процесс, показывающий, как растения могут использовать энергию солнца для поддержания жизни на Земле.
Фаза темновых реакций (цикл Кальвина)
Фаза темновых реакций, также известная как цикл Кальвина, представляет собой этап фотосинтеза, который происходит после световых реакций и не требует непосредственного воздействия света. На этом этапе энергия, накопленная в виде ATP и NADPH во время световых реакций, используется для «сборки» глюкозы из молекул диоксида углерода.
Давайте более подробно рассмотрим процесс:
- Поглощение CO₂: Рибулозо-1,5-бисфосфат, пятиуглеродное соединение, взаимодействует с молекулой диоксида углерода. Этот процесс катализируется ферментом рибулозо-1,5-бисфосфат карбоксилазой/оксигеназой (RuBisCO).
- Образование 3-фосфоглицерата: Результатом этой реакции является нестабильное шестиуглеродное соединение, которое быстро распадается на две молекулы 3-фосфоглицерата.
- Превращение в глюкозо-6-фосфат: С помощью ATP и NADPH, 3-фосфоглицерат преобразуется в глюкозо-6-фосфат.
- Восстановление рибулозо-1,5-бисфосфата: Часть производимых углеводов используется для восстановления рибулозо-1,5-бисфосфата, что позволяет циклу продолжиться.
Таким образом, основной продукт фазы темновых реакций — это глюкоза, которая может быть использована растением как источник энергии или может быть преобразована в другие органические вещества, такие как крахмал или целлюлоза. Надо понимать, что для образования одной молекулы глюкозы требуется шесть циклов Кальвина.
Типы фотосинтеза
В различных живых существах есть два вида пигментов, которые могут «ловить» свет для фотосинтеза. Эти пигменты «ловят» световую энергию и превращают её в энергию, которая сохраняется в форме электрохимического градиента протонов (ионов H+) на клеточных мембранах. У большинства живых организмов для этой цели используется хлорофилл. Однако в некоторых организмах вместо хлорофилла используется ретиналь, который является производным витамина А. Исходя из этого, можно говорить о двух типах фотосинтеза: с использованием хлорофилла и без него.
Хлорофилльный фотосинтез
Хлорофилльный фотосинтез — это процесс, который происходит при участии хлорофилла, основного пигмента, содержащегося в хлоропластах растительных клеток. Этот тип фотосинтеза характерен для большинства растений, водорослей и цианобактерий.
Механизм: В процессе хлорофилльного фотосинтеза световая энергия поглощается молекулами хлорофилла, которые преобразуют её в химическую энергию. Эта энергия используется для превращения углекислого газа и воды в глюкозу. При этом выделяется кислород.
Примеры: Все высшие растения, такие как деревья, кустарники, травы, а также многие виды водорослей и цианобактерии (сине-зелёные водоросли), проводят хлорофилльный фотосинтез.
Бесхлорофилльный фотосинтез
Бесхлорофилльный фотосинтез — это редкий тип фотосинтеза, который происходит без участия хлорофилла. Вместо хлорофилла участвуют другие пигменты.
Механизм: При бесхлорофилльном фотосинтезе световая энергия поглощается другими пигментами, которые не содержат магния, в отличие от хлорофилла. Процесс превращения световой энергии в химическую аналогичен хлорофилльному фотосинтезу, но конечные продукты и побочные реакции могут отличаться.
Примеры: Некоторые виды бактерий, такие как пурпурные и зеленые серные бактерии, используют пигменты бактериохлорофиллы для фотосинтеза. Эти бактерии обитают в условиях, где кислорода мало или его вообще нет, и поэтому в качестве исходного вещества они используют сероводород вместо воды. В результате освобождается элементарная сера, а не кислород.
Некоторые бактерии способны проводить фотосинтез без хлорофилла. Вместо этого они используют другие светочувствительные пигменты.
Таким образом, хлорофилльный и бесхлорофилльный фотосинтез представляют собой два разных пути превращения световой энергии в химическую, каждый из которых адаптирован к своим специфическим условиям среды.
С3-фотосинтез
Это наиболее распространенный путь фиксации углекислого газа (CO₂) у растений и назван так из-за трехуглеродного соединения – 3-фосфоглицериновой кислоты (3-PGA), который образуется в процессе этого фотосинтеза.
Вот основные характеристики и этапы С3-фотосинтеза:
- Место происхождения: С3-фотосинтез происходит в мезофилле листьев.
- Первый этап – фиксация CO₂: Фермент Рибулозо-1,5-бисфосфат карбоксилаза/оксигеназа (RuBisCO) катализирует присоединение CO₂ к рибулозо-1,5-бисфосфату (RuBP). Это образует нестабильное 6-углеродное соединение, которое быстро разлагается на две молекулы 3-PGA.
- Второй этап – редукционная фаза: Здесь 3-PGA превращается в глицеральдегид-3-фосфат (G3P) с использованием энергии, полученной от АТФ и NADPH, образующихся в световой фазе фотосинтеза.
- Третий этап – регенерация RuBP: G3P используется для восстановления RuBP с использованием энергии из АТФ. Это позволяет циклу продолжаться.
Основное преимущество С3-фотосинтеза заключается в его эффективности при умеренных температурах и нормальных концентрациях углекислого газа. Однако у него есть один существенный недостаток: при высоких температурах и низких концентрациях CO₂ RuBisCO начинает катализировать реакцию с кислородом, что приводит к фотодыханию.
Фотодыхание – это неэффективный процесс, который потребляет энергию растения без производства дополнительных органических веществ. Некоторые растения развили механизмы, такие как С4-фотосинтез, чтобы минимизировать эти потери.
C4 фотосинтез
Это адаптивный механизм некоторых растений, позволяющий им эффективно проводить фотосинтез в условиях высокой температуры и низкой концентрации углекислого газа (CO₂) в атмосфере. Этот процесс назван так из-за промежуточного соединения, содержащего 4 атома углерода.
Суть C4 фотосинтеза заключается в том, что растения прежде всего фиксируют CO₂ в форме четырехуглеродного соединения с помощью фермента фосфоэнолпируват-карбоксилазы. Этот процесс происходит в специализированных клетках, называемых мезофильными клетками. Затем четырехуглеродное соединение переносится в другие клетки – пучковые клетки, где CO₂ высвобождается и участвует в классическом цикле Кальвина, также известном как C3 фотосинтез.
Преимущества C4 фотосинтеза заключаются в следующем:
- Более высокая эффективность фиксации CO₂ при низкой его концентрации в воздухе.
- Снижение потерь воды через транспирацию, что делает C4 растения более устойчивыми к засухе.
- Отсутствие фотодыхания, что увеличивает общую продуктивность растения.
Примеры растений, использующих C4 фотосинтез: кукуруза, тростник, сорго и многие виды трав.
Безкислородный фотосинтез
В безкислородном фотосинтезе кислород не выделяется. Этот процесс характерен для некоторых бактерий, например, для фиолетовых и зеленых, а также для гелиобактерий.
Во время этого процесса могут проходить:
- Цикличный светозависимый перенос электронов, который преобразует энергию света в АТФ, без создания восстанавливающих агентов. Этому процессу не требуется внешние доноры электронов. Но когда нужны восстанавливающие агенты, их получают, обычно из внешних органических соединений.
- Нецикличный светозависимый перенос электронов, который генерирует АДФ и восстанавливающие агенты. Тут нужны внешние доноры электронов для заполнения пропуска в реакционном центре. Эти доноры могут быть как органическими, так и неорганическими. Из неорганических источников часто используют разные формы серы, например, сероводород или молекулярный водород.
Кислородный фотосинтез
В кислородном фотосинтезе выделяется кислород как побочный результат. Тут преимущественно происходит нециклический перенос электронов, хотя в определенных условиях может протекать и циклический. Вода служит основным донором электронов в нециклическом потоке. C3 и C4 фотосинтезы являются подтипами оксигенного фотосинтеза.
Этот тип фотосинтеза более распространен. Он типичен для большинства растений, водорослей, некоторых простейших и цианобактерий.
Иерархия этих понятий в контексте фотосинтеза представляется следующим образом:
По характеру выделения кислорода
Оксигенный фотосинтез: Сопровождается выделением кислорода.
Хлорофилльный (обычно имеют в виду оксигенный, который происходит при участии хлорофилла):
C3-фотосинтез: Традиционный механизм, встречается у большинства растений.
C4-фотосинтез: Адаптивный механизм, встречается у растений в условиях высокой температуры и низкой концентрации CO₂.
Безоксигенный (аноксигенный) фотосинтез: Проходит без выделения кислорода.
Бесхлорофилльный (обычно имеют в виду аноксигенный фотосинтез, который происходит без участия хлорофилла): Процесс, характерный для некоторых бактерий.
Таким образом, оксигенный и безоксигенный фотосинтезы являются основными категориями, в то время как C3, C4, хлорофилльный и бесхлорофилльный фотосинтезы представляют собой подкатегории в рамках этих основных типов.
Фотосинтез в растениях
Происходит в хлоропластах, это своего рода «заводы» внутри клетки, принадлежащие к группе пластид. И хотя эти «заводики» есть в разных частях растения, основное место, где всё происходит, — это листья. Листья идеально подготовлены для того, чтобы ловить солнечный свет благодаря их плоской форме. Чтобы растения не сохли, вода поднимается из корней через ксилему, одну из «трубок» внутри растения. Но растения также теряют воду, выпаривая её через маленькие отверстия на листьях и их поверхность. Это нормально, но слишком много выпаривания — не хорошо. Поэтому растения «научились» экономить воду разными способами.
Когда растения производят свою «пищу» в цикле Кальвина, они отправляют её по другой «трубке» — флоэме. А если фотосинтез идет слишком активно, растение начинает складировать «пищу» в виде крахмальных гранул. Растение «дышит», вбирая углекислый газ и выпуская кислород, через маленькие отверстия на листьях.
Тем не менее, если у растений не хватает углекислого газа, это может нарушить их «пищеварение». А если они пытаются взять больше углекислого газа, они могут потерять слишком много воды. Это сложный баланс! Некоторые растения, например, растения пустыни, придумали хитрость: они «дышат» ночью, чтобы потерять меньше воды. Например, у большинства кактусов, у которых нет настоящих листьев, основная «работа» проходит в стебле.
Хлоропласты
Хлоропласты — это частицы внутри клетки растений, окруженные двойными стенками, которые позволяют проходить только определенным веществам. Внутри хлоропластов есть жидкость, называемая стромой, и сложные структуры, подобные лентам, — ламеллы. Эти ламеллы соединяются в мешочки, которые мы называем тилакоидами. Группы таких мешочков образуют стопки или граны. Именно на этих мешочках расположены молекулы, отвечающие за поглощение света — хлорофилл и другие пигменты, вроде каротиноидов. Эти молекулы помогают растениям проводить фотосинтез.
Внутри тилакоидов есть свое особое пространство, которое не соединено со стромой. Однако считается, что пространства разных тилакоидов могут быть связаны между собой. Световая часть фотосинтеза проходит на мембранах тилакоидов, а процесс преобразования углекислого газа в углеводы происходит в строме.
Что интересно, хлоропласты содержат свою собственную ДНК, РНК и рибосомы, хотя большая часть их работы контролируется клеточным ядром. Хлоропласты не образуются с нуля; они разделяются, создавая новые. Некоторые ученые считают, что хлоропласты происходят от древних микроорганизмов, которые когда-то взаимодействовали с растительными клетками и стали частью их системы. Это предположение основано на наблюдении сходства между хлоропластами и определенными бактериями.
Процесс фотосинтеза на уровне тканей
Для того чтобы растения могли проводить фотосинтез, у них есть особенная ткань, называемая хлоренхимой. Эта ткань находится ближе к внешней части растения, таким образом, чтобы она могла легко поглощать свет. Большинство растений имеют хлоренхиму прямо под защитным слоем, который называется эпидермой.
Но у растений, которые живут в местах с ярким солнцем, между этими двумя слоями иногда есть дополнительные прозрачные клетки, которые помогают разбрасывать световые лучи. Этот слой называется гиподермой. Тем временем у растений, предпочитающих тени, даже внешний слой (эпидерма) может быть насыщен хлоропластами – примером является растение кислица.
Интересно, что у некоторых растений хлоренхима в листьях имеет разные формы: она может быть упорядоченной и столбчатой или неупорядоченной и похожей на губчатую структуру. В столбчатой части, также известной как палисадная хлоренхима, обычно больше всего хлоропластов.
Значение фотосинтеза
Фотосинтез — ключевой процесс, который «питает» большую часть живых существ на Земле, если не учитывать некоторые бактерии, которые используют хемосинтез.
Основная деятельность по фотосинтезу проходит в зеленых частях растений и у водорослей. Пример — каждый год зеленые водоросли добавляют в воздух огромное количество кислорода, и это почти 90% всего кислорода, который образуется благодаря фотосинтезу на нашей планете. Другими словами, фотосинтез — это наиболее распространенная биохимическая реакция на Земле.
Одним из наибольших прорывов в истории эволюции было обнаружение, как превращать воду в кислород с помощью солнечного света. Это открытие превратило Солнце в основную «батарею» для всей биосферы Земли.
Фототрофы — организмы, способные преобразовывать солнечный свет — играют ключевую роль в сохранении энергии от Солнца в органические молекулы. Эта энергия, которую сохраняют фототрофы, поддерживает существование всех других организмов, которые получают энергию, разлагая эти органические соединения. Например, когда мы едим или дышим.
Подумайте о фотосинтезе как о топливе не только для растений на поле, но и для пищи, которую едят животные.
Та энергия, которую мы используем, когда сжигаем дрова или используем биотопливо, также происходит из фотосинтеза. Даже когда мы используем уголь или нефть, мы фактически используем энергию, сохраненную с помощью фотосинтеза многие миллионы лет назад.
Фотосинтез — это способ, с помощью которого углерод из воздуха вступает в естественный цикл на Земле.
Большинство кислорода, который мы дышим, на самом деле является «подарком» от фотосинтеза. Когда кислород стал частью нашей атмосферы, это полностью изменило облик нашей планеты, что в итоге позволило жизни распространиться на суше.
Выводы
Фотосинтез — это центральный процесс, который обеспечивает жизнь на Земле. Он не только снабжает нас пищей и кислородом, но и помогает поддерживать экологический баланс нашей планеты. Понимание механизмов и значимости фотосинтеза позволяет нам больше узнать о сложности и красоте живой природы.