Фотосинтез

Многие организмы на Земле для размножения полагаются на фотосинтез, основной биологический процесс, который обеспечивает выживание большинства видов. Чтобы живые организмы могли поддерживать дыхание и деятельность, они должны производить соответствующее количество кислорода, необходимое для производства органического вещества, и перерабатывать его. Данный процесс называется фотосинтез.

Определение фотосинтеза

Фотосинтез – это процесс, при котором в клетках, содержащих хлорофилл, под действием энергии света происходит образование органических веществ из неорганических. В процессе фотосинтеза растение поглощает углекислый газ и воду, одновременно подвергаясь биосинтезу для синтеза органических веществ и выделения кислорода. В тканях, содержащих хлоропласты, особенно в листьях, происходит фотосинтез, составляющий большую часть фотосинтеза, и большая часть фотосинтетических процессов происходит в этой среде. Хлоренхима или мезофилл — названия этих тканей.

Интересный факт! Джозеф Пристли провел свои первые опыты по фотосинтезу в XVIII веке, и особенно его интересовало ухудшение качества воздуха в закрытом ящике, где горела свеча (воздух переставал поддерживать горение, и животные задыхались). Теория Пристли предполагает, что растения вырабатывают кислород, необходимый для дыхания и горения, который необходим для дыхания и горения у людей и других животных.

История открытия фотосинтеза

В 1600 году учёный Ян Баптиста ван Гельмонт решил впервые провести эксперимент и, в особом случае, изучить влияние почвы на рост растений посредством эксперимента. Он поместил ветку ивы в бочку с землей и ухаживал за ней в течение пяти лет, наблюдая за ее ростом. В течение 5 лет учёный раскапывал и измерял дерево, почву и почву. Весы показали, что дерево стало тяжелее почти в 30 раз, а почва потеряла всего 56 граммов, что его удивило. Ван-Гельмонт пришел к выводу, что растение получает все необходимые вещества не столько из почвы, сколько из воды. Этот эксперимент стал основой для разработки так называемой «теории воды в питании растений».

Однако М.В. Ломоносов был одним из противников этой теории. Он полагался на факт того, что высокие и крепкие деревья могут расти даже на пустынных почвах с редкими дождями. Первоначально Ломоносов постулировал, что растения могут поглощать часть питательных веществ из растений через листья, но не смог доказать это экспериментально.

Есть и другие ученые, которые проводили интересные эксперименты со смежными темами. Например, священник и химик Джозеф Пристли случайно обнаружил мышь, которая погибла в ловушке, и начал исследования с пониманием, что происходит с воздухом в окружающей среде. Он провел эксперимент, в котором ставил горящую свечу в одну банку, а мышь – в другую. Свеча погасла, а мышь умерла. Пристли затем положил новую мышь в банку, где ранее погасла свеча, и снова мышь умерла. Из этого он пришел к выводу, что растения играют важную роль в очищении воздуха и делают его подходящим для жизни, так как они поглощают углекислый газ и выделяют кислород.

Очевидно, что фотосинтез – это процесс, который изучался учеными разных стран и эпох. Жан Сенебье в 18 веке пришел к выводу, что органы растений потребляют углекислый газ под воздействием солнечного света. После нескольких лет и нескольких экспериментов в конечном итоге было установлено, что растение извлекает углекислый газ и выделяет кислород в соотношении 1:1.

Юлиус Сакс, немецкий исследователь, был первым, кто продемонстрировал достоверность этой связи в 19 веке, после своего открытия в 1847 году немецким исследователем Карлом Себастьяном Саксом.

Процессы вещества фотосинтеза

Фотосинтез возможен благодаря наличию определенных веществ – пигментов. У высших растений существуют фотосинтетические пигменты. Хлорофиллы и каротиноиды представляют собой две группы типов, которые разделены и классифицируются как разные. Эти пигменты играют важную роль в поглощении света и превращении его энергии в химическую энергию. Они находятся в мембранах хлоропластов, которые обычно располагаются таким образом, чтобы их мембраны были перпендикулярны источнику света, обеспечивая максимальное поглощение света.

Интересный факт! На данный момент не подтверждено наличие хлорофилла d у красных водорослей, хотя ранее такие данные были получены в экспериментах с цианобактериями. Однако информация о наличии хлорофилла d у красных водорослей все еще присутствует во многих источниках.

Хлорофилл, который используется в фотосинтезе, содержится в хлоропластах на мембранах тилакоидов, где он также обнаруживается в процессе фотосинтеза. Хлорофилл придает зеленый цвет хлоропластам и всему растению, придавая зеленый цвет хлоропластам.

Химический состав хлорофилла делает его похожим на гемоглобин – белок крови – по сравнению с его кристаллической формой. У них общее порфириновое кольцо, но центральное атомное ядро отличается: у гемоглобина – железо, а у хлорофилла – магний. Из этого порфиринового кольца выходят две органические цепи и отходят от этой пластинки. Одна из этих цепей, очень длинная и под углом, помогает хлорофиллу прочно закрепиться к мембранам.

Хлорофилл известен своей способностью переходить в возбужденное состояние и поглощать энергию солнечного света, что является одной из главных его характеристик. Хлорофиллы главным образом поглощают красный и сине-фиолетовый свет, отражая зеленый. Именно поэтому растения имеют зеленую окраску, если не перекрыты другими пигментами. Есть различные формы хлорофилла, расположение которых в мембране может незначительно отличаться и вызывать изменения в поглощении света.

Хлорофилл является единственным пигментом, присутствующим у всех фотосинтезирующих растений, и играет центральную роль в фотосинтезе.

Спектры поглощения хлорофиллов a и b и спектр каротиноидов

Каротиноиды, пигменты желтого, красного и оранжевого цвета, придают цветокам и плодам растений характерную окраску. Хотя они всегда присутствуют в листьях, они неразличимы из-за преобладания хлорофилла. Однако, осенью, когда хлорофилл разлагается, каротиноиды становятся более заметными и листья начинают приобретать желтую и красную окраску.

Основными функциями каротиноидов являются: способность поглощать солнечный свет, особенно коротковолновой части спектра, и передавать энергию хлорофиллу; защита хлорофилла от избытка света и от окисления кислорода, происходящего при фотосинтезе.

Cветовая фаза фотосинтеза

Происходит в хлоропластах, в которых содержится большое количество молекул хлорофилла. Часть этих молекул образует особые антенные и светособирающие комплексы, которые поглощают фотоны света и передают возбуждение в реакционные центры фотосистем. У растений есть две фотосистемы – II и I, каждая из которых содержит специфический хлорофилл: P680 и P700 соответственно. Они поглощают свет определенной длины волны (680 и 700 нм), что вызывает переход электрона на высший энергетический уровень.

Электроны, которые находятся в возбужденном состоянии, обладают избытком энергии. Поэтому они выделяются и направляются в особую цепь переносчиков в мембранах тилакоидов. Здесь они преобразуют молекулы НАДФ+ в восстановленный НАДФ. Благодаря этому процессу достигается преобразование световой энергии в энергию переносчика.

После отрыва электронов от молекул хлорофилла на их месте появляются «дырки» с положительным зарядом.

Чтобы компенсировать потерю электронов, фотосистема I передает их фотосистеме II через систему переносчиков. Фотосистема II извлекает электроны из воды, происходящий фотолиз воды. В результате образуются ионы водорода. Ионы водорода, образовавшиеся в результате фотолиза воды, переносятся в полость тилакоидов.

Здесь накапливается большое количество ионов водорода, что приводит к созданию крутого градиента концентрации на мембране тилакоида.

Фермент АТФ-синтетаза использует этот градиент для синтеза АТФ из АДФ и фосфата. Восстановленный переносчик НАДФ отвечает за перенос ионов водорода через мембрану.

Следовательно, НАДФ и АТФ являются восстановленными переносчиками и энергетическими соединениями, которые могут хранить световую энергию в легкой фазе фотосинтеза.

Кислород, выделяющийся при этом, является побочным продуктом с точки зрения фотосинтеза.

Роль световой фазы:

• Передвижение протонов водорода с образованием энергии АТФ;
• Образование восстановленного переносчика НАДФ;
• Выделение молекулярного кислорода в атмосферу.

Темновая фаза фотосинтеза

Для проведения темновой фазы фотосинтеза необходимы АТФ и восстановленный переносчик НАДФ (которые получены в световой фазе), а также углекислый газ и вода из атмосферы. Этот процесс осуществляется в строме хлоропласта.

Энергия преобразуется в глюкозу с участием АТФ и восстановленного переносчика НАДФ во время темновой фазы. Хотя освещение не является необходимым условием для данного процесса, оно регулирует его.

Растение непрерывно поглощает углекислый газ из атмосферы. Специальные структуры, называемые устьицами, находятся на поверхности листа и предназначены для этой цели. Когда устьица раскрываются, углекислый газ проникает внутрь листа, где он растворяется в воде и с помощью НАДФ и АТФ превращается в глюкозу.

Избыток глюкозы запасается в крахмаловые вещества. Органические соединения, таким образом, накапливают энергию. Лист отвечает за выработку большей части веществ, ему необходимых. Те углеводы, которые не являются незаменимыми, транспортируются по всему растению в ситовидных трубках флоэмы, которые затем направляются в определенные точки роста или места, где необходима энергия.

Интересный факт! Хлорофилл считается источником жизни из-за его целебных свойств и богатого витаминами состава. Этот пигмент блокирует вредные вещества, которые могут нарушать работу пищеварительной системы. Хлорофилл — это раствор магния, важнейшего минерала, находящегося в зеленых овощах, и важного источника питательных веществ в рационе человека. Помогает поддерживать оптимальный уровень pH в кишечной системе.

Формула фотосинтеза

В общем виде уравнение фотосинтеза выглядит так: СО₂ (углекислый газ) + Н₂О (вода) = органические вещества (глюкоза) + О₂ (кислород).

Хлорофилл

Хлорофилл – уникальный зеленый пигмент, присутствующий в хлоропластах растений, который имеет фундаментальное значение в процессе фотосинтеза. Благодаря хлорофиллу, растения способны преобразовывать солнечный свет в энергию, необходимую для производства кислорода и питательных веществ.

Интересный факт! Вещество хлорофилл — это не отдельная молекула пигмента, а группа родственных молекул, имеющих погожую структуру. Также существуют молекулы пигмента, которые отражают/поглощают свет разных длин волн.

Что влияет на скорость фотосинтеза

Одним из главных источников хлорофилла является люцерна, листья которой содержат значительное количество этого вещества. Экстракт, полученный из листьев люцерны, улучшает усвоение организмом и имеет быстрый эффект. Среди полезных свойств хлорофилла можно выделить его способность очищать организм, улучшать состояние кожи и стимулировать выработку коллагена. Более того, хлорофилл обладает свойствами омоложения, предотвращает первые проявления старения и защищает от возникновения опухолей в толстой кишке и нарушений структуры ДНК.

Однако скорость фотосинтеза, процесса, в котором участвует хлорофилл, зависит от множества внешних и внутренних факторов и может варьироваться в различных условиях. Например, фаза развития растения оказывает влияние на интенсивность фотосинтеза, с максимальными значениями, наблюдаемыми во время цветения. Интересно отметить, что общая скорость фотосинтеза зависит как от внешних факторов вроде интенсивности света и температуры, так и от внутренних условий, таких как содержание хлорофилла и возраст листьев.

В природных условиях все эти факторы взаимодействуют друг с другом, и процесс фотосинтеза изменяется в течение суток. Например, фотосинтез начинается с восходом солнца, достигает пика в полуденные часы и степенно снижается к вечеру. Каждый фактор может оказывать влияние на фотосинтез в зависимости от интенсивности остальных. Поэтому изменение одного фактора может повлиять на процесс фотосинтеза от минимума, когда начинается, до оптимального значения, когда процесс больше не изменяется. Некоторые факторы, как интенсивность света и содержание углекислого газа, могут взаимодействовать таким образом, что повышение интенсивности света после определенного уровня может в действительности замедлить фотосинтез.

Эффективность процесса фотосинтеза в природе невелика, но существует возможность улучшить ее путем сокращения испарения воды растением и улучшения условий корневого питания. Нелинейная природа взаимодействия факторов позволяет оптимизировать фотосинтез для накопления энергии в биомассе. Для достижения этой цели необходимо изучить и понять влияние каждого фактора, внешнего и внутреннего, на фотосинтез и использовать эти знания для максимального повышения эффективности этого важного процесса.

Значение фотосинтеза для растений

Живые организмы в значительной степени полагаются на фотосинтез, который преобразует энергию света в химическую энергию органического вещества. Почти всю энергию, используемую живыми организмами в своей жизнедеятельности, могут получить из продуктов фотосинтеза. За исключением хемосинтетиков, практически все организмы в разной степени зависят от субпродуктов фотосинтеза.

Благодаря фотосинтезу, в атмосфере формируется и поддерживается дыхательная среда с высоким содержанием кислорода. Фиксация углекислого газа в процессе фотосинтеза играет важную роль в биогеохимическом цикле, обеспечивая обращение неорганического углерода. Кроме того, ассимиляция углекислого газа способствует снижению парникового эффекта и предотвращению перегрева планеты.

Фотосинтез углекислого газа

Фотосинтез – это процесс синтеза органических веществ из углекислого газа (CO2) и воды (H2O) при использовании солнечной энергии. Растение производит глюкозу и кислород. Для проведения фотосинтеза растениям необходимы вода, углекислый газ и свет. Используя энергию света, растение генерирует кислород и глюкозу из воды и углекислого газа. Эти вещества являются основными компонентами, необходимыми для роста и развития растений.

Фотолиз воды

Фотолиз воды – это процесс расщепления молекулы воды во время фотосинтеза в присутствии света.

Фототрофы – организмы, способные к фотосинтезу. В природе также существуют хемотрофы, которые могут синтезировать органические вещества, используя химические связи вместо кислорода в качестве источника энергии.

Растения обычно являются автотрофами и содержат в своих клетках разнообразные фотосинтетические пигменты.

Все фотосинтетические пигменты делятся на хлорофиллы и каротиноиды. Пигменты поглощают свет и превращают его в химическую энергию. Они находятся в хлоропластах, основных местах фотосинтеза. Хлорофилл, находящийся в тилакоидах хлоропластов, придает растениям зеленый цвет. Хлорофилл, как и гемоглобин в крови, имеет структуру, аналогичную структуру, и оба имеют порфириновый центр, состоящий из магния. Хлорофилл поглощает энергию солнечного света, переходя в возбужденное состояние.

Фотолиз воды – это ключевой процесс, в ходе которого молекула воды распадается под воздействием солнечного света. Одним из важных результатов этого процесса является выделение большого количества кислорода в атмосферу.

Протоны водорода, образующиеся в результате фотолиза, переносятся в полость тилакоидов, где накапливается значительный избыток ионов водорода. Фермент АТФ-синтетаза использует градиент, создаваемый высокой концентрацией ионов в тилакоидной мембране, для генерации АТФ из АДФ и фосфата. Также происходит процесс образования НАДФ*Н и перенос ионов водорода через мембрану. В этом сценарии восстановленный транспортер НАДФ*Н и высокоэнергетическое соединение АТФ используются для хранения световой энергии в световой фазе фотосинтеза.

В отличие от световой фазы, темновая фаза фотосинтеза требует участия АТФ и НАДФ*Н (которые образуются в световой фазе), а также углекислого газа из атмосферы и воды. Темновая фаза происходит в строме хлоропласта и сопровождается процессом восстановления глюкозы. Хотя для этого процесса не требуется свет, он всё же участвует в его регуляции.

На нижней стороне листа растение собирает углекислый газ из воздуха, который поглощается открытыми устьицами на верхних пазушных концах листьев растения. Кислород, растворившись в воде, восстанавливается до глюкозы при участии НАДФ и АТФ. Если производится избыток глюкозы, она откладывается в виде запасного питательного вещества – крахмала. Крахмал накапливает энергию, причем только небольшое количество этого вещества остается в листе для его собственных нужд. Остальные углеводы перемещаются по растению через проводящие ткани (ситовидные трубки).

Таким образом, фотосинтез является основным источником кислорода на Земле.

Реакция фотолиза воды позволяет обеспечить образование большого количества кислорода, необходимого для жизни всех организмов. До появления фотосинтетических организмов на нашей планете кислорода не существовало.

Фотосинтез листьев

Лист является органом фотосинтеза, выполняющим не только синтез питательных веществ, но и другие функции, такие как дыхание, транспирация (испарение) воды и производство фитогормонов, таких как гиббереллины. Структура листа имеет несколько слоев: тонкий слой эпидермиса, защищенный воскоподобным веществом кутикулой, а затем основная ткань мезофилл. Мезофилл обычно делится на столбчатый мезофилл, находящийся рядом с верхней стороной листа, и губчатый мезофилл, в котором происходит газообмен. Клетки мезофилла отвечают за транспортировку питательных веществ, гормонов и ферментов, которые распространяют питательные вещества и ферменты по воде. Стромы, расположенные на нижней поверхности листа, представляют собой небольшие пучки материала, подвергающиеся газообмену и испарению воды, известные как устьица, на нижней поверхности листа.

Хлоропласты — это органеллы в клетках мезофилла, которые опосредуют хлоропласты, строительные блоки всех фотосинтетических процессов, и расположены внутри клеток мезофилла. Хлоропласты состоят из хлоропластов (в основном пигментов хлоропласта А, хлорофилла В и каротиноидов). Хлорофиллы придают листьям зеленый цвет, но в осеннее время разрушаются, и цвет листьев определяется каротиноидами, которые имеют желтые и оранжевые оттенки.

В популярных публикациях часто приводятся конкретные значения длин волн спектра фотосинтеза. Однако эти значения точны только для пигментов, растворенных в органических растворителях. Кроме того, разные разновидности хлорофиллов и каротиноидов имеют разные длины волн поглощения, и спектр поглощения в клетках может отличаться от измеренного в растворах. Оптические свойства окружающих тканей также влияют на спектральную характеристику пигментов. Более того, каждое растение может иметь свои уникальные особенности в этом отношении.

С ростом возможностей управления спектром освещения в настоящее время существует потребность в его использовании для регулирования характеристик сельскохозяйственных культур так же, как это используется с сельскохозяйственными препаратами – регуляторами роста. Однако современная теория фотосинтеза не допускает таких возможностей, поскольку, как было сказано выше, ограничивает продукцию фотосинтеза только глюкозой и хлорофиллами.

Несмотря на эти неудачи, ученые продолжают исследовать влияние светового спектра на рост растений, синтез питательных веществ и их устойчивость к стрессу. Некоторые исследования показывают, что спектр освещения можно использовать для управления различными параметрами растений, но это несовершенное искусство и требует дальнейшего развития.

Интересный факт! Многоклеточные животные, такие как морской слизень и пятнистая саламандра, могут использовать фотосинтез в качестве вторичного источника энергии. Включение спектра искусственного освещения может открыть разнообразные перспективы в исследованиях фотосинтеза и его применении.

Влияние изменения климата на фотосинтез

Современные исследования утверждают, что изменение климата может серьезно повлиять на фотосинтез. Международная группа ученых из разных стран обнаружила, что при чрезмерном повышении температуры в тропических лесах листья могут «перегреться и перестать участвовать в фотосинтезе». Это является самым неблагоприятным сценарием для Земли в текущем тысячелетии. Тем не менее, не все ученые согласны с этим мнением и утверждают, что глобальное потепление в целом может быть благоприятным для растений.