Фазы фотосинтеза

Краткая история фотосинтеза и его значение

Фотосинтез – это процесс трансформации поглощенной организмом энергии света в химическую энергию органических (и неорганических) соединений.

Началом экспериментальных работ в области фотосинтеза послужили опыты английского химика Дж.Пристли.

В 1771 г он обнаружил, что растения мяты, помещенные в стеклянный опрокинутый кувшин, «исправляют» воздух «испорченный» горением свечи или дыханием животного. В 1774 г. Пристли открыл кислород.

Через год независимо от него кислород был открыт во Франции А.Л.Лавуазье, который и дал название этому газу.

В 1776 г. шведский химик К.В.Шееле повторил опыты Пристли, не не подтвердил их.

Растения в опытах Шееле также «портили»воздух. Объяснил противоречие между результатами опытов Пристли и Шееле голландский врач Я.Ингенгауз. Шееле и Пристли ставили свои опыты в разных условиях освещенности. Ингенгауз показал, что растения выделяют кислород только при действии света.

В 1782 г. швейцарский естествоиспытатель Ж.Сенебье установил, что растения на свету не только выделяют кислород, но и поглощают углекислый газ Сенебье назвал поглощение СО2 «углеродным питанием».

Швейцарский ученый Т.Соссюр в 1804 г. используя количественные методы анализа, обнаружил, что для увеличения вегетативной массы растения потребляют не только углекислый газ, но и воду.

В 1817 г. французские химики П.Ж.Пельтье и Ж.Каванту выделили из листьев зеленый пигмент и назвали его хлорофиллом.

В1865 г. немецкий физиолог растений Ю.Сакс продемонстрировал, что на свету в листьях образуется крахмал и что он локализован в хлоропластах.

Немецкий физиолог Т.В.Энгельман в 1881 г. экспериментально доказал, что кислород образуется в хлоропластах.

В середине 19 в. Появились первые сведения о роли света в процессах фотосинтеза.

Американский физик Дж.У.Дрепер, а также Ю.Сакс и Пфеффер считали, что фотосинтез лучше осуществляется в желтых лучах, что противоречило спектральным характеристикам хлорофилла. Позднее в 1875 г. К.А.Тимирязев установил, что ассимиляция углекислого газа максимальна при освещении красным светом. Он определил роль хлорофилла в процессе фотосинтеза и сформулировал идею о космической роли этого процесса.

Результаты изучения воздушного питания растений за первые сто лет после опытов Пристли нашли свое выражение в общем уравнении фотосинтеза:

6СО2 + 6Н2О С6Н12О6 + 6О2

свет, хлорофилл

Из приведенной реакции непонятно, какое происхождение имеет кислород (от СО2 или Н2О).

Немецкий химик А,Байер в 1870 г. предположил, что под воздействием света происходит разложение углекислого газа и что для синтеза углеводов используются промежуточные продукты – СО и формальдегид. Но эти вещества оказались токсичными для растений и накапливаться не могли.

В 1893 г. русский биохимик А.Н.Бах предположил, что О2 выделяется из воды через промежуточные перекисные соединения.

Голландский микробиолог К.Б.ван Ниль, изучая особенности бактериального фотосинтеза и сревнивая его с фотосинтезом у растений. В 1937-1941 гг. также пришел к выводу, что первичная фотохимическая реакция фотосинтеза состоит в диссоциации воды. Полное уравнение фотосинтеза по Ван Нилю можно представить так:

свет

СО2 + 4Н2О + 3Н2О + О2

Хлорофилл

Причем эта суммарная реакция слагается из трех этапов:

свет, хлорофилл

4Н2О 4 + 4

СО2 + 4 + Н2О

4 2Н2О + О2

Идеи Ван Ниля были поддержаны результатами опытов английского физиолога растений Р.Хилла, который в 1937 г.

показал, что изолированные хлоропласты под действием света способны разлагать воду и выделять кислород в присутствии акцепторов электронов (феррицианида, бензохинона и др.).

Прямые экспериментальные доказательства фотолиза воды с помощью меченного кислорода были получены в 1941 г. независимо А.П.Виноградовым (СССР) и Р.В.Тейсом (США).

Уравнение Ван Ниля включает две группы реакций, причем одна связана с фотодиссоциацией воды, а другая – с восстановлением СО2 до углевода.

Первую реакцию можно назвать световой, второю – темновой. Экспериментальные доказательства реального существования двух фаз фотосинтеза были получены в опытах с мигающим светом (А.А.Рихтер в СССР, Р.Эмерсон и У.Арнольв – в США).

Величина температурных коэффициентов фаз фотосинтеза также доказывает существование двух стадий – фотохимические реакции не зависят от температуры, для энзиматических реакций температурный коэффициент составляет от 2 до 4.

Дальнейшие исследования американского биохимика и физиолога растений Д.И.Арнона (1954 г.) доказали двухэтапность фотосинтеза, было установлено, что световая фаза протекает в тиллакоидах хлоропласта, темновая – в строме и было открыто явление фотофосфорилирования.

Светозависимые реакции

Когда растение поглощает солнечную энергию, ему сначала необходимо преобразовать ее в химическую энергию.

Когда фотон света попадает в реакционный центр, молекула пигмента, такая как хлорофилл, высвобождает электрон.

Освободившемуся электрону удается уйти, путешествуя по цепи переноса электронов, которая генерирует энергию, необходимую для производства АТФ (аденозинтрифосфата, источника химической энергии для клеток) и НАДФН – оба из которых необходимы на следующем этапе фотосинтеза в восстановительном пентозофосфатном цикле. «Электронная дыра» в исходном пигменте хлорофилла заполняется за счет взятия электронов из воды. В результате расщепления молекул воды в атмосферу выделяется кислород.

Уравнение фотосинтеза

Хотя оба вида фотосинтеза являются сложными и многоступенчатыми, общий процесс можно аккуратно резюмировать в виде химического уравнения.

Уравнение кислородного фотосинтеза:

6CO2 + 12H2O + Световая энергия → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

Здесь 6 молекул углекислого газа (CO2) соединяются с 12 молекулами воды (H2O), используя энергию света. Конечным результатом является образование одной молекулы углевода (C6H12O6 или глюкозы) вместе с 6 молекулами кислорода и 6 молекулами воды.

Точно так же различные реакции аноксигенного фотосинтеза можно представить в виде единой обобщенной формулы:

CO2 + 2H2A + световая энергия → + 2A + H2O

Буква A в уравнении является переменной, а H2A представляет собой потенциального донора электронов. Например, «A» может обозначать серу в сероводороде (H2S), являющемся донором электронов. ()

Мембрана тилакоида

Представим, что мы увеличили тилакоид и рассматриваем его мембрану. Как и в плазматической мембране, здесь есть белки, транспортирующие вещества через мембрану (здесь это АТФаза и пластохинон).

Между двумя фотосистемами располагаются переносчики электронов (по порядку они называются пластохинон, цитохромы, пластоцианин, на ЕГЭ данные термины не используются, поэтому даны только в качестве справки для любопытных. Эти комплексы содержат железо или медь), они транспортируют электроны от фотосистемы II к фотосистеме I.

От фотосистемы I в строму хлоропласта обращены другие переносчики электронов (ферродоксин и ферродоксин-НАДФ-редуктаза), транспортирующие электроны на восстановление НАДФ+ до НАДФН.

Кроме них в мембране тилакоида находится фермент АТФаза, выполняющий одну из ключевых ролей в фотосинтезе – образовании АТФ из АДФ.

Хемосинтез

Некоторые живые организмы тоже способны к образованию моноуглеводов из воды и углекислого газа, при этом они не нуждаются в солнечном свете. К ним относятся бактерии, а процесс преобразования энергии называется хемосинтезом.

Хемосинтез являет собой процесс, во время которого синтезируется глюкоза, но вместо солнечной энергии используются химические вещества. Протекает он в зонах с достаточно высокой температурой, подходящей для работы ферментов, и отсутствием света. Это могут быть области вблизи гидротермальных источников, утечек метана на морских глубинах и др.

Хемосинтез

Источником энергии для бактерий выступают химические связи метана и сероводорода. В результате хемосинтеза возникает сера и ее соединения в качестве побочных продуктов реакции.

Темновая фаза

Темновая или ферментативная фаза – процесс получения органической глюкозы из углекислого газа. Для ее прохождения свет уже не требуется, если конечные продукты световой фазы имеются в наличии.

Различные виды растений имеют свои особенности прохождения темновой фазы фотосинтеза. Различают следующие пути темновой фазы: С3, С4 и САМ.

Путь С₃ называют циклом Кальвина. Он присущ большинству растений на нашей планете. Это сложнейший процесс, проходящий в несколько этапов. Основными этапами цикла Кальвина являются:

• Карбоксилирование;
• Восстановление;
• Регенерация.

В цикле Кальвина осуществляется множество химических реакций, в результате которых синтезируется конечный продукт процесса — органическое соединение глюкоза. Основным отличием этого пути фотосинтеза является первый этап карбоксилирования, когда углекислый газ под воздействием ферментов образует 3-углеродное соединение – фосфоглицериновую кислоту. Поэтому этот путь фотосинтеза назван С₃.

Фотосинтез С4 встречается в основном у тропических растений, живущих при высокой температуре, повышенной освещенности и дефиците влаги.

Этот путь является модификацией цикла Кальвина и в биологии называется циклом Хэтча-Слэка. Здесь в конечном итоге также образуется глюкоза. Но в этом цикле проходят химические реакции, отличные от С₃— пути и используются другие ферменты. Этапы прохождения цикла Хэтча-Слэка:

• Акцептация;
• Декарбоксилирование;
• Цикл Кальвина.

После захвата углекислого газа на этапе акцептации синтезируются 4-углеродные соединения, поэтому этот путь фотосинтеза назван С₄. Особенности прохождения С₄ пути позволяют растениям накапливать органические кислоты, образующиеся на первых этапах цикла, экономить воду и проводить процесс фотосинтеза в самое жаркое время.

Пути фотосинтеза САМ характерен для суккулентов. Он отличается от предыдущего цикла тем, что его этапы разделены во времени. Акцептация и декарбоксилирование происходят ночью.

Для этих этапов необходим углекислый газ, но суккуленты не могут получить его днем, поскольку в жару их устьица закрыты и открываются только ночью. А цикл Кальвина у этих растений может проходить днем, когда устьица растений закрыты.

Как происходит фотосинтез

Для «приготовления своей пищи» растениям нужны углекислый газ, вода и солнечный свет. И эта «пища», которую они сами для себя создают, называется глюкозой. В дополнение к глюкозе растения также производят кислород.

Схема фотосинтеза

Световая и темновая фазы фотосинтеза

В процессе фотосинтеза существуют две различные фазы (два цикла реакций), которые следуют одна за другой — световая (для этой нужен солнечный свет) и темновая (солнечный свет не требуется, она может происходить в любое время суток).

Световая фаза

Хлорофилл поглощает энергию солнечного света. Эта энергия передаётся фотосистемам, ответственным за фотосинтез. На этой фазе используется вода (H2O), для обеспечения электронов и ионов водорода. И как итог, производится кислород (O2).

Электроны и ионы водорода используются для создания АТФ и НАДФН. АТФ является молекулой накопления энергии. НАДФН является молекулой-носителем / донором электронов. И АТФ, и НАДФН будут использоваться на следующей стадии фотосинтеза (темновой).

Темновая фаза

Уже на второй, темновой фазе фотосинтеза, углекислый газ (CO2) и энергия из АТФ вместе с НАДФН используются для образования глюкозы.

Фотосинтез и хемосинтез

Хемосинтез — это синтез органических соединений из неорганических веществ, в этом процессе используется химическая энергия (что выделяется в реакциях окисления неорганических веществ).

Для сравнения фотосинтез — это процесс синтеза органических соединений из неорганических веществ, из неорганических веществ с помощью энергии света.

Хемосинтез происходит без хлорофилла, так как в этом процессе свет необязателен.

Например, нитрифицирующими бактериями можно окислить аммиак до азотистой кислоты.

В молекулах АТФ собирается освобождающаяся энергия, потом она расходуется на синтез органических веществ (процесс которого похож на тип реакций темновой фазы фотосинтеза).

Хемо-синтезирующие бактерии очень важны в круговороте веществ. Нитрофицирующие бактерии содействуют аккумуляции нитратов в почве.

Этот процесс был открыт русским микробиологом С. Н. Виноградским.

Иногда для обозначения усвоения углекислого газа бактериями вместо слова «хемосинтез» используется слово «автотрофия». А термин «литотрофия» используется для обозначения процесса окисления бактериями неорганических соединений.

Типы фотосинтеза

Существует два типа процессов фотосинтеза: оксигенный фотосинтез и аноксигенный фотосинтез. Общие принципы аноксигенного и оксигенного фотосинтеза очень схожи, но наиболее распространенным является оксигенный фотосинтез, который наблюдается у растений, водорослей и цианобактерий.

Во время оксигенного фотосинтеза световая энергия способствует переходу электронов из воды (H₂O) в углекислый газ (CO₂). В результате реакции образуется кислород и углеводороды.

Оксигенный фотосинтез можно назвать процессом противоположным дыханию в котором происходит поглощение углекислого газа, производимого всеми дышащими организмами, и выделение кислорода в атмосферу.

С другой стороны, в аноксигенном фотосинтезе в качестве донора электронов используется не вода. Этот процесс обычно наблюдается у таких бактерий как фиолетовые бактерии и зеленые серные бактерии, которые в основном встречаются в различных водных средах.

При аноксигенном фотосинтезе кислород не продуцируется, отсюда и название. Результат реакции зависит от донора электронов. Например, многие бактерии используют в качестве донора сероводород и в результате такого фотосинтеза образуется твердая сера.

Хотя оба типа фотосинтеза являются сложными и многоступенчатыми процессами их можно приблизительно представить в виде приведенных ниже химических уравнений.

Оксигенный фотосинтез записывается следующим образом:

6CO₂ + 12H₂O + Световая энергия → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O

Здесь шесть молекул углекислого газа (СО2) объединяются с 12 молекулами воды (Н2О) с использованием световой энергии. В результате реакции образуется одна молекула углевода (C6H12O6 или глюкозы) и шесть молекул кислорода и шесть молекул воды.

Аналогично различные реакции аноксигенного фотосинтеза могут быть представлены в виде одной обобщенной формулы:

CO₂ + 2H₂A + Световая энергия → [CH₂O] + 2A + H₂O

Буква A в уравнении является переменной, а H₂A представляет потенциальный донор электронов. Например, А может быть серой в сероводороде (H₂S).

Какая наука изучает процесс фотосинтеза

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

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

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

• световую;
• темновую.

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

Что мы узнали?

Изучив данную тему по биологии 5 класса, можно объяснить кратко и понятно фотосинтез как процесс образования в растениях органических веществ из неорганических (СО₂ и Н₂О). Его особенности: проходит в зелёных пластидах (хлоропластах), сопровождается выделением кислорода, осуществляется под действием света.

1. /10

   Вопрос 1 из 10

Фотодыхание

Дышать необходимо всем живым существам, и растения не являются исключением. Однако этот процесс у них происходит немного иначе, чем у людей и животных, отчего носит название фотодыхания.

В целом, дыхание – физический процесс, во время которого живой организм и окружающая его среда обмениваются газами. Как и всему живому, растениям для дыхания нужен кислород. Но потребляют они его гораздо меньше, чем вырабатывают.

В ходе фотосинтеза, который происходит только при солнечном свете, растения создают для себя пищу. Во время фотодыхания, которое осуществляется круглосуточно, эти питательные вещества ими поглощаются с целью поддержки метаболизма внутри клеток.

Кислород (как и углекислый газ) проникает в клетки растений через особые отверстия – устьица. Они располагаются в нижней части листочков. На одном листе может располагаться около 1000 устьиц.

Устьица растения

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.

Виды фотосинтетических процессов

Существует два вида фотосинтетических процессов: кислородный фотосинтез и аноксигенный фотосинтез. Оба они следуют очень похожим принципам, но кислородный фотосинтез является наиболее распространенным и наблюдается у растений, водорослей и цианобактерий.

Во время кислородного фотосинтеза световая энергия переносит электроны из воды (H2O), поглощенной корнями растений, на CO2 для производства углеводов. При этом переносе СО2 «восстанавливается» или получает электроны, а вода «окисляется» или теряет электроны. Кислород вырабатывается вместе с углеводами.

Кислородный фотосинтез действует как противовес дыханию, поглощая CO2, производимый всеми дышащими организмами, и повторно вводя кислород в атмосферу.

Между тем, аноксигенный фотосинтез использует доноры электронов, которые не являются водой и не производят кислород. Этот процесс обычно происходит у бактерий, таких как зелёные серобактерии и фототрофные пурпурные бактерии. (1)

Хемосинтез

Некоторые живые организмы тоже способны к образованию моноуглеводов из воды и углекислого газа, при этом они не нуждаются в солнечном свете. К ним относятся бактерии, а процесс преобразования энергии называется хемосинтезом.

Хемосинтез являет собой процесс, во время которого синтезируется глюкоза, но вместо солнечной энергии используются химические вещества. Протекает он в зонах с достаточно высокой температурой, подходящей для работы ферментов, и отсутствием света. Это могут быть области вблизи гидротермальных источников, утечек метана на морских глубинах и др.

Источником энергии для бактерий выступают химические связи метана и сероводорода. В результате хемосинтеза возникает сера и ее соединения в качестве побочных продуктов реакции.

Что влияет на скорость фотосинтеза?

Фотосинтез может протекать с различной скоростью. Этот процесс зависит от условий окружающей среды:

• вода;
• длина волны света;
• углекислый газ;
• температура.

График скорости фотосинтеза

Вода является основополагающим фактором, поэтому при ее недостатке реакции замедляются. Для фотосинтеза наиболее благоприятны волны красного и сине-фиолетового спектра. Также предпочтительнее высокая степень освещенности, но лишь до определенного значения – при его достижении связь между освещенностью и скоростью реакции исчезает.

Высокая концентрация углекислого газа обеспечивает быстрые фотосинтетические процессы и наоборот. Определенная температура важна для ферментов, которые ускоряют реакции. Идеальные условия для них – около 25-30℃.

Фазы фотосинтеза

Фотосинтез принято разделять на световую и темновую фазу. Между ними есть значительные отличия, с которыми можно познакомиться в данной таблице:

Таблица 1. – Сравнение световой и темновой фазы фотосинтеза

Признак	Световая фаза	Темновая фаза
Где происходит	На мембране тилакоидов (на внутренней мембране хлоропласта)	В строме (в жидком содержимом хлоропласта)
Источник энергии	Свет	Разрушение макроэргических связей АТФ, который был получен в световой фазе
Основные продукты	АТФ, НАДФН, кислород	Моносахара (глюкоза)
Основные процессы	Возбуждение электронов светом, движение электронов по цепи белков-переносчиков, фотолиз воды, окисление кислорода воды, накопление протонов водорода, фотофосфорилирование	Цикл Кальвина, трата энергии АТФ – разрушение макроэргической связи, окисление НАДФН, преобразование углеводов

Световая фаза фотосинтеза

Чтобы лучше понять, что происходит во время фотосинтеза, разберём фазы фотосинтеза. Световая фаза фотосинтеза включает в себя фотохимические и фотофизические процессы, и может быть поделена на три этапа:

1. Фаза поглощения — энергия света улавливается при помощи светособирающих комплексов, переходит в энергию электронного возбуждения пигментов, передаётся в реакционный центр фотосистем I и II. 
2. Фаза реакционных центров — энергия электронного возбуждения пигментов светособирающих комплексов используется для активации реакционных центров фотосистем. В реакционном центре электрон от возбуждённого хлорофилла передаётся другим компонентам электрон-транспортной цепи, пигмент после отдачи электрона переходит в окисленное состояние и становится способным, в свою очередь, отнимать электроны у других веществ. Именно в этом процессе происходит преобразование физической формы энергии в химическую.
3. Фаза электрон-транспортной цепи — электроны переносятся по цепи переносчиков, образуются АТФ, НАДФН, O2. Необходимо, чтобы каждый переносчик электрон-транспортной цепи поочерёдно восстанавливался и окислялся, обеспечивая таким образом перенос энергии электронов. Любой этап переноса электрона сопровождается высвобождением или поглощением энергии. Часть энергии теряется. На некоторых участках электрон-транспортной цепи перенос электрона сопряжён с переносом протона.

Для того чтобы понять, что происходит во время фазы фотосинтеза, рассмотрим эти процессы подробнее. Кванты света улавливаются светособирающими комплексами фотосистемы I — молекула хлорофилла в составе светособирающего комплекса переходит в возбуждённое состояние, и энергия передаётся в реакционный центр фотосистемы I. Происходит возбуждение молекул хлорофилла фотосистемы I,   отщепляется электрон. Пройдя по цепочке внутренних компонентов фотосистемы I и внешних переносчиков, электрон в конце концов попадает к НАДФ+ — образуется восстановитель НАДФН. Получается, что хлорофилл фотосистемы I отдал электрон и приобрёл положительный заряд, и для дальнейшего функционирования необходимо восстановить нейтральность молекулы, получить электрон, чтобы закрыть «дырку». Этот электрон приходит от фотосистемы II.

На светособирающие комплексы фотосистемы II попадают кванты света — происходит возбуждение молекулы хлорофилла фотосистемы II, молекула хлорофилла отдаёт электрон и переходит в окисленное состояние. Нехватку электрона хлорофилл восполняет благодаря фотолизу воды, при этом образуется протоны H+, а также важный побочный продукт фотосинтеза — кислород. По цепи переносчиков электрон от хлорофилла фотосистемы II попадает к хлорофиллу реакционного центра фотосистемы I и восстанавливает его. Теперь этот хлорофилл может снова поглощать энергию кванта света и отдавать электрон в электрон-транспортную цепь.

Протоны, попадающие во внутритилакоидное пространство, используются для синтеза АТФ. С помощью фермента АТФ-синтазы за счёт градиента протонов образуется АТФ из АДФ и фосфата. Под градиентом понимают неравномерное распределение: во внутритилакоидном пространстве H+ больше, в строме — меньше. Поэтому частицы стремятся проникнуть в строму, переходят в неё через АТФ-синтазу, а в процессе пути сквозь белковый комплекс отдают ему часть энергии, которая и используется для синтеза АТФ. 

Виды фотосинтетических процессов

Существует два вида фотосинтетических процессов: кислородный фотосинтез и аноксигенный фотосинтез. Оба они следуют очень похожим принципам, но кислородный фотосинтез является наиболее распространенным и наблюдается у растений, водорослей и цианобактерий.

Во время кислородного фотосинтеза световая энергия переносит электроны из воды (H2O), поглощенной корнями растений, на CO2 для производства углеводов. При этом переносе СО2 «восстанавливается» или получает электроны, а вода «окисляется» или теряет электроны. Кислород вырабатывается вместе с углеводами.

Кислородный фотосинтез действует как противовес дыханию, поглощая CO2, производимый всеми дышащими организмами, и повторно вводя кислород в атмосферу.

Между тем, аноксигенный фотосинтез использует доноры электронов, которые не являются водой и не производят кислород. Этот процесс обычно происходит у бактерий, таких как зелёные серобактерии и фототрофные пурпурные бактерии. ()

Описание световой фазы

Какие реакции происходят во время световой фазы фотосинтеза? В группе ФСII энергия солнечного света предается электронам молекулы хлорофилла, вследствие чего электрон заряжается, то есть «возбуждается настолько», что выпрыгивает из группы фотосистемы и «подхватывается» молекулой-переносчиком в мембране тилакоида. Этот электрон переходит от переносчика к переносчику, пока не разрядится. После этого он может использоваться в другой группе ФСI для замены электрона.

В группе фотосистемы II недостает электрона, и теперь она положительно заряженная и требует новый электрон. Но где взять такой электрон? Область в группе, известная как комплекс выделения кислорода, поджидает беззаботно «прогуливающуюся» молекулу воды.

В молекулу воды входит один атом кислорода и два атома водорода. Комплекс выделения кислорода в ФСII имеет марганца четыре иона, которые забирают электроны у атомов водорода. В результате происходит расщепление молекулы воды на два положительных иона водорода, два электрона и один атом кислорода. Молекулы воды расщепляются, и атомы кислорода распределяются по парам, образуя при этом молекулы газа кислорода, который возвращает растение в воздух. Ионы водорода начинают собираться в сумочке тилакоида, отсюда растение сможет их использовать, а с помощью электронов решается проблема потери в комплексе ФС II, который готов повторить этот цикл много раз в секунду.

В тилакоидном мешочке происходит скопление ионов водорода, и они начинают искать выход. Два иона водорода, образующиеся всегда при распаде молекулы воды, это далеко не всё: проходя путь из комплекса ФС II в комплекс ФС I, электроны притягивают в мешочек и другие ионы водорода. Затем эти ионы скапливаются в тилакоиде. Как им оттуда выбраться?

Оказывается, у них имеется «турникет» с одним выходом — фермент, который используется при выработке клеточного «топлива», называемого АТФ (аденозинтрифосфат). Проходя через этот «турникет», ионы водорода предоставляют энергию, которая необходима для перезарядки уже используемых молекул АТФ. Молекулы АТФ — это клеточные «батареи». Они отдают энергию для реакций внутри клетки.

При сборе сахара нужна еще одна молекула. Она называется НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат). Молекулы НАДФ — это «грузовики», каждый из них доставляет по атому водорода к ферменту молекулы сахара. Образование НАДФ происходит в комплексе ФС I. Пока фотосистема (ФС II) расщепляет молекулы воды и создает из них АТФ, фотосистема (ФС I) поглощает свет и выдает электроны, которые потом будут нужны при образовании НАДФ. Молекулы АТФ и НАДФ находятся на хранении в строме и потом будут использованы для образования сахара.

Продукты световой фазы фотосинтеза:

• кислород
• АТФ
• НАДФ*Н 2

Значение фотосинтеза в природе

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

Продуценты

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

Основа пищевой цепи

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

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

Круговорот питательных веществ

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

Фотосинтетическая зависимость

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

Мне нравится2Не нравится2

Как фотосинтез может бороться с изменением климата

Фотосинтезирующие организмы – это возможное средство для производства экологически чистого топлива, такого как водород. Группа исследователей из Университета Турку в Финляндии изучила способность зеленых водорослей производить водород. Зеленые водоросли могут выделять водород в течение нескольких секунд, если они сначала подвергаются воздействию темных анаэробных (бескислородных) условий, а затем подвергаются воздействию света. Как сообщается в их исследовании 2018 года, опубликованном в журнале Energy & Environmental Science, исследователи разработали способ продлить производство водорода зелеными водорослями до трех дней. (15)

Ученые также добились успехов в области искусственного фотосинтеза. Например, группа исследователей из Калифорнийского университета в Беркли разработала искусственную систему для улавливания CO2 с использованием нанопроволоки или проводов диаметром в несколько миллиардных долей метра. Проволока проникает в систему микробов, которые уменьшают CO2 в топливо или полимеры, используя энергию солнечного света. Команда опубликовала свой дизайн в 2015 году в журнале Nano Letters. (16)

В 2016 году члены этой же группы опубликовали исследование в журнале Science, в котором описана еще одна искусственная фотосинтетическая система, в которой специально сконструированные бактерии использовались для создания жидкого топлива с использованием солнечного света, воды и CO2. В общем, растения могут использовать только около одного процента солнечной энергии и использовать ее для производства органических соединений во время фотосинтеза. Напротив, искусственная система исследователей смогла использовать 10% солнечной энергии для производства органических соединений. (17)

В 2019 году исследователи написали в Journal of Biological Chemistry, что цианобактерии могут повысить эффективность фермента рубиско. Ученые обнаружили, что эти бактерии особенно хороши в концентрации СО2 в своих клетках, что помогает предотвратить случайное связывание рубиско с кислородом. Понимая, как бактерии достигают этого, ученые надеются внедрить этот механизм в растения, чтобы повысить эффективность фотосинтеза и снизить риск фотодыхания. (18)

Непрерывные исследования природных процессов помогают ученым в разработке новых способов использования различных источников возобновляемой энергии, а использование силы фотосинтеза является логическим шагом для создания экологически чистых и углеродно-нейтральных видов топлива.

Работает экологическим и научным журналистом более 15 лет. Пишет о науке, культуре, космосе и устойчивом развитии. Внештатный автор сайта «Знание – свет».

Газообмен растений в зависимости от освещенности

Процесс газообмена при разной освещенности представлен следующим образом:

1. Яркий свет. Во время фотосинтеза используется углекислый газ. Растения выделяют больше кислорода, чем потребляют. Его излишки попадают в атмосферу. Углекислый газ потребляется быстрее, чем выделяется дыханием. Неиспользованные углеводы запасаются растением впрок.
2. Тусклый свет. Газообмен с окружающей средой не происходит, поскольку растение потребляет весь кислород, который производит.
3. Отсутствие света. Происходят только процессы дыхания. Углекислый газ выделяется, а кислород потребляется.

Газообмен в растениях