Історія фотосинтезу.Протягом тисячоліть люди вважали, що харчується рослина виключно завдяки корінням, поглинаючи з їх допомогою всі необхідні речовини із ґрунту. Перевірити цю думку взявся на початку ХІХ ст. голландський натураліст Ян Ван Гельмонт. Він зважив землю в горщику і посадив туди втечу верби. Протягом п'яти років він поливав деревце, а потім висушив землю і зважив її та рослину. Іва важила сімдесят п'ять кілограмів, а вага землі змінилася всього на кілька сотень грамів. Висновок вченого був такий - рослини отримують поживні речовини, перш за все, не з ґрунту, а з води.
На два століття у науці утвердилася теорія водного харчування рослин. Листя з цієї теорії лише допомагали рослині випаровувати зайву вологу.
До найнесподіванішого, але правильного припущення про повітряне харчування рослин вчені дійшли лише початку дев'ятнадцятого століття. Важливу роль розумінні цього процесу відіграло відкриття, досконале англійським хіміком Джозефом Прістлі в 1771 р. Він поставив досвід, у якого він зробив висновок: рослини очищають повітря і роблять його придатним для дихання. Пізніше з'ясувалося: для того, щоб рослина очищала повітря, необхідне світло.
Через десять років вчені зрозуміли, що рослина не просто перетворює вуглекислий газ на кисень. Вуглекислий газ необхідний рослинам для життя, він служить для них справжньою їжею (разом із водою та мінеральними солями).
Повітряне харчування рослин називається фотосинтезом. Кисень у процесі фотосинтезу виділяється як незвичайний продукт.
Мільярди років тому землі не було вільного кисню. Весь кисень, яким дихають майже всі живі істоти нашої планети, виділено рослинами у процесі фотосинтезу. Фотосинтез зумів змінити весь вигляд нашої планети.
Починаючи з 70-х років. минулого століття великі успіхи в галузі фотосинтезу були здобуті в Росії. Роботами російських вчених Пурієвича, Івановського, Ріктера, Іванова, Костичова були вивчені багато сторін цього процесу.
Значення фотосинтезу не усвідомлювалося до недавнього часу. Аристотель та інші вчені Греції, спостерігаючи, що життєві процеси тварин залежать від споживання їжі, вважали, що рослини добувають свою «їжу» із ґрунту.
Дещо більше трьохсот років тому в одному з перших ретельно продуманих біологічних експериментів голландський лікар Ян Ван Гельмонт представив докази того, що не один грунт годує рослину. Ван Гельмонт вирощував маленьке дерево верби у глиняному горщику, додаючи до нього лише воду.
Через п'ять років маса голок збільшилася на 74,4 кг, тоді як маса ґрунту зменшилася лише на 57 г.
Наприкінці XVIII століття англійський вчений Джозеф Прістлі повідомив, що він "випадково виявив метод виправлення повітря, який був зіпсований горінням свічок". 17 серпня 1771 р. Прістлі «... помістив живу гілочку м'яти в закриту посудину, в якій горіла воскова свічка», а 21 числа того ж місяця виявив, що «... інша свічка знову могла горіти в цій же посудині». "Виправляючим початком, яким для цих цілей користується природа, - вважав Прістлі, - була рослина". Він розширив свої спостереження і швидко показав, що повітря, «виправлене» рослиною, не було «зовсім не підходящим для миші».
Досліди Прістлі вперше дозволили пояснити, чому повітря на Землі залишається «чистим» і може підтримувати життя, незважаючи на горіння незліченних вогнів та дихання безлічі живих організмів. Він говорив: «Завдяки цим відкриттям ми впевнені, що рослини виростають недаремно, а очищають і облагороджують нашу атмосферу».
Пізніше голландський лікар Ян Інгенхауз (1730-1799) підтвердив роботу Прістлі і показав, що повітря «виправляється» лише на сонячному світлі та лише зеленими частинами рослини. У 1796 р. Інгенхауз припустив, що вуглекислота розкладається при фотосинтезі С і О 2 , а О 2 виділяється як газу. Згодом було виявлено, що співвідношення атомів вуглецю, водню та кисню в цукрах та крохмалі таке, що один атом вуглецю припадає на одну молекулу води, на що вказує слово «вуглеводи». Вважалося загальноприйнятим, що вуглеводи утворюються з і Н 2 Про, а Про 2 виділяється з вуглекислоти. Це цілком розумна гіпотеза була широко визнана, але, як з'ясувалося, вона була зовсім невірною.
Дослідником, який спростував цю загальноприйняту теорію, був Корнеліус ван Ніль зі Стамфордського університету, коли він, ще студентом-дипломником, досліджував метаболізм різних фотосинтезуючих бактерій. Одна група таких бактерій, а саме пурпурні сірчані бактерії, відновлює до вуглеводів, але не виділяє О 2 . Пурпурним сірчаним бактеріям для фотосинтезу необхідний сірководень. Внаслідок фотосинтезу всередині бактеріальних клітин накопичуються частинки сірки. Ван Ніль виявив, що для цих бактерій рівняння фотосинтезу може бути записане як:
З 2 + 2Н 2 S (CH 2 O) + Н 2 Про + 2S.
Цей факт не привертав уваги дослідників доти, доки ван Ніль не зробив сміливого повідомлення і не запропонував наступного сумарного рівняння фотосинтезу:
З 2 + 2Н 2 А (CH 2 O) + Н 2 О + 2А.
У цьому рівнянні Н 2 А являє собою або воду, або інша речовина, що окислюється, наприклад сірководень або вільний Н 2 . У зелених рослин та водоростей Н 2 А = Н 2 О. Тобто Ван Ніль припустив, що Н 2 О, а не вуглекислота розкладається при фотосинтезі. Ця блискуча ідея, висунута в тридцяті роки, експериментально була доведена пізніше, коли дослідники, використовуючи важкий ізотоп О 2 (18 О 2), простежили шлях кисню від води до газоподібного стану.
З 2 + 2Н 2 18 О 2 (CH 2 O) + Н 2 О + 18 О 2 .
Таким чином, для водоростей або зелених рослин, у яких вода служить донором електронів, сумарне рівняння фотосинтезу записується так:
6СО 2 + 12Н 2 О C 6 H 12 O 6 + 6О 2 + 6Н 2 О.
Процеси, що відбуваються у аркуші.Аркуш здійснює три важливі процеси – фотосинтез, випаровування води та газообмін. У процесі фотосинтезу в листі з води та двоокису вуглецю під дією сонячних променів синтезуються органічні речовини. Вдень в результаті фотосинтезу та дихання рослина виділяє кисень та двоокис вуглецю, а вночі – тільки двоокис вуглецю, що утворюється при диханні.
Більшість рослин здатні синтезувати хлорофіл при слабкому висвітленні. При прямому сонячному висвітленні хлорофіл синтезується швидше.
Необхідна для фотосинтезу світлова енергія у певних межах поглинається тим більше, що менше затемнений лист. Тому рослин у процесі еволюції виробилася здатність повертати пластину листа до світла те щоб на неї падало більше сонячних променів. Листя на рослині розташовуються так, щоб не утискувати одне одного.
Тімірязєв довів, що джерелом енергії для фотосинтезу служать переважно червоні промені спектра. На це вказує спектр поглинання хлорофілу, де найінтенсивніша смуга поглинання спостерігається у червоній, і менш інтенсивна – у синьо-фіолетовій частині.
У хлоропластах разом із хлорофілом є пігменти каротин та ксантофіл. Обидва ці пігменти поглинають сині та частково зелені промені і пропускають червоні та жовті. Деякі вчені приписують каротину та ксантофілу роль екранів, що захищають хлорофіл від руйнівної дії синіх променів.
Процес фотосинтезу складається з низки послідовних реакцій, частина яких протікає з поглинанням світлової енергії, а частина – у темряві. Стійкими кінцевими продуктами фотосинтезу є вуглеводи (цукор, та був крохмаль), органічні кислоти, амінокислоти, білки.
Фотосинтез за різних умов протікає з різною інтенсивністю.
Інтенсивність фотосинтезу залежить від фази розвитку рослини. Максимальна інтенсивність фотосинтезу спостерігається у фазі цвітіння.
Звичайне вміст вуглекислоти повітря становить 0,03 % за обсягом. Зменшення вмісту вуглекислоти у повітрі знижує інтенсивність фотосинтезу. Підвищення вмісту вуглекислоти до 0,5% збільшує інтенсивність фотосинтезу майже пропорційно. Однак при подальшому підвищенні вмісту вуглекислоти інтенсивність фотосинтезу не зростає, а при 1% – рослина страждає.
Рослини випаровують або трансперують дуже велика кількість води. Випаровування води є однією з причин висхідного струму. Внаслідок випаровування води рослиною, у ньому накопичуються мінеральні речовини і відбувається корисне рослини зниження температури під час сонячного нагрівання. Іноді трансперація знижує температуру рослини на 6°С.
Рослина регулює процес випаровування води у вигляді роботи продихів. Відкладення кутикули, або воскового нальоту, на епідермі, утворення його волосків та інші пристрої спрямовані на скорочення нерегульованої трансперації.
Процес фотосинтезу і постійне дихання живих клітин листа вимагають газообміну між внутрішніми тканинами листа і атмосферою. У процесі фотосинтезу з атмосфери поглинається вуглекислий газ, що асимілюється, і повертається в атмосферу киснем.
Застосування ізотопного методу аналізу показало, що кисень, що повертається в атмосферу (16 О), належить воді, а не вуглекислому газу повітря, в якому переважає інший його ізотоп - 15 О. При диханні живих клітин (окисленні вільним киснем органічних речовин усередині клітини до вуглекислого) газу та води) необхідно надходження з атмосфери кисню та повернення вуглекислоти. Цей газообмін також здійснюється в основному через устьичний апарат.
Сучасні уявлення про фотосинтез.В даний час відомо, що фотосинтез проходить дві стадії, але тільки одна – на світлі. Докази двостадійності процесу вперше було отримано 1905 р. англійським фізіологом рослин Ф.Ф. Блекліном, який досліджував вплив освітленості та температури на об'єм фотосинтезу.
На підставі експериментів Блеклін зробив такі висновки.
1. Є одна група світлозалежних реакцій, які залежить від температури. Обсяг цих реакцій у діапазоні низьких освітленостей міг зростати зі збільшенням освітленості, але з збільшенням температури.
2. Є друга група реакцій, залежних від температури, а чи не від світла. Виявилося, що обидві групи реакцій необхідні реалізації фотосинтезу. Збільшення обсягу лише однієї групи реакцій збільшує обсяг всього процесу, але тільки доти, поки друга група реакцій не почне утримувати першу. Після цього необхідно прискорити другу групу реакцій, щоб перші могли проходити без обмежень.
Таким чином, було показано, що обидві стадії світлозалежні: світлова і темнова. Важливо пам'ятати, що темнові реакції нормально проходять на світлі і потребують продукти світлової стадії. Вираз «темнові реакції» просто означає, що світло як таке в них не бере участі.
Обсяг темнових реакцій зростає зі збільшенням температури, але тільки до 30 про, потім починає падати. На підставі цього факту припустили, що темнові реакції каталізуються ферментами, оскільки обмін ферментативних реакцій таким чином залежить від температури. Згодом виявилося, що цей висновок було зроблено неправильно.
На першій стадії фотосинтезу (світлові реакції) енергія світла використовується для утворення АТР (молекули аденозин-трифосфату) та високоенергетичних переносників електронів. На другій стадії фотосинтезу (темнові реакції) енергетичні продукти, що утворилися у світлових реакціях, використовуються для відновлення 2 до простого цукру (глюкози).
Процес фотосинтезу дедалі більше привертає увагу учених. Наука близька до вирішення найважливішого питання – штучного створення за допомогою світлової енергії цінних органічних речовин із найпоширеніших неорганічних речовин. Проблема фотосинтезу посилено розробляється ботаніками, хіміками, фізиками та іншими фахівцями.
Останнім часом вже вдалося штучно отримати синтез формальдегіду та цукристих речовин із водних розчинів карбонатної кислоти; при цьому роль поглинача світлової енергії грали замість хлорофілу карбонати кобальту та нікелю. Нещодавно синтезовано молекулу хлорофілу.
Успіхи науки в галузі синтезу органічних речовин завдають нищівного удару по ідеалістичному вченню – віталізму, який доводив, що для утворення органічних речовин з неорганічних необхідна особлива «життєва сила» і що людина не зможе синтезувати складні органічні речовини.
Фотосинтез у рослинах здійснюється у хлоропластах. Він включає: перетворення енергії (світловий процес), перетворення речовини (темновий процес). Світловий процес відбувається у гілакоїдах, темновий – у стромі хлоропластів. Узагальнене циркулювання фотосинтезу виглядає так:
6СО 2 + 12Н 2 О C 6 H 12 O 6 + 6Н 2 О + 6О 2 .
Два процеси фотосинтезу виражаються окремими рівняннями:
12Н 2 Про 12H 2 + 6О 2 + енергія АТР;
(Світловий процес)
12H 2 + 6О 2 + енергія АТР С 6 Н 12 О 6 + Н 2 О.
(Темновий процес)
Значення фотосинтезу у природі.Фотосинтез - єдиний процес у біосфері, що веде до збільшення її вільної енергії за рахунок зовнішнього джерела. Запасена у продуктах фотосинтезу енергія – основне джерело енергії людства.
Щорічно в результаті фотосинтезу на Землі утворюється 150 млрд. тонн органічної речовини і виділяється близько 200 млн. тонн вільного кисню.
Кругообіг кисню, вуглецю та інших елементів, що залучаються до фотосинтезу, підтримує сучасний склад атмосфери, необхідний життя Землі. Фотосинтез перешкоджає збільшенню концентрації СО 2 запобігаючи перегріву Землі внаслідок так званого «парникового ефекту».
Оскільки зелені рослини є безпосередньою або опосередкованою основою харчування всіх інших гетеротрофних організмів, фотосинтез задовольняє потребу в їжі всього живого на нашій планеті. Він – найважливіша основа сільського та лісового господарства. Хоча можливості впливу на нього ще невеликі, але все-таки і вони певною мірою використовуються. При підвищенні концентрації вуглекислого газу повітря до 0,1 % (проти 0,3 % у природній атмосфері) вдалося, наприклад, підвищити врожайність огірків і томатів втричі.
Квадратний метр поверхні листя протягом однієї години продукує близько одного грама цукру; це означає, що це рослини за приблизною оцінці вилучають з атмосфери від 100 до 200 млрд тонн З рік. Близько 60% цієї кількості поглинають ліси, що займають 30% непокритої льодами поверхні суші, 32% - окультурені землі, а 8% - рослини степів і пустельних місць, а також міст і селищ.
Зелена рослина здатна не тільки використовувати вуглекислий газ і створювати цукор, але й перетворювати азотні сполуки та сполуки сірки на речовини, що складають його тіло. Через кореневу систему рослина отримує розчинені у ґрунтовій воді іони нітратів і переробляє їх у своїх клітинах на амінокислоти – основні компоненти всіх білкових сполук. Компоненти жирів також виникають із сполук, що утворюються в процесах обміну речовин та енергії. З жирних кислот та гліцерину виникають жири та олії, які служать для рослини, головним чином, запасними речовинами. У насінні приблизно 80% всіх рослин, як багата енергією запасної речовини містяться жири. Одержання насіння, жирів та масел відіграє важливу роль у сільськогосподарській та харчовій промисловості.
Фотосинтез – процес життєдіяльності зелених рослин, єдиний у біосфері, пов'язаний із накопиченням енергії сонця. Його значення - у різнобічному забезпеченні життя Землі.
Утворення біомаси
Живі істоти - рослини, гриби, бактерії та тварини, складаються з органічних речовин. Вся маса органіки спочатку утворюється у процесі фотосинтезу, що у автотрофних організмах - рослинах і деяких бактеріях.
Рис. 1. Авто- та гетеротрофні організми.
Гетеротрофні організми, споживаючи рослини, лише видозмінюють органічні речовини, не збільшуючи загальну біомасу планети. Унікальність фотосинтезу у цьому, що з синтезі органічних речовин відбувається запасання у тому хімічних зв'язках енергії сонця. Фактично фотосинтезуючі організми «прив'язують» сонячну енергію до Землі.
Підтримка життя
Фотосинтез постійно утворює з вуглекислого газу та води органічні речовини, які є їжею та довкіллям для різних тварин і людини.
Вся енергія, що використовується у житті живих організмів, спочатку - сонячна. Фотосинтез фіксує цю енергію Землі і передає всім жителям планети.
Речовина та енергія, запасені при фотосинтезі, широко використовуються людиною:
ТОП-3 статтіякі читають разом з цією
- викопні енергоресурси;
- деревина;
- дикорослі рослини як сировина та естетичний ресурс;
- продукція харчового та технічного рослинництва.
1 гектар лісу чи парку поглинає влітку за 1 годину 8 кг вуглекислого газу. Така кількість виділяється за той же час двома сотнями людей.
Атмосфера
Склад атмосфери змінювався саме завдяки процесу фотосинтезу. Кількість кисню поступово зростала, підвищуючи можливості організму до виживання. Спочатку перша роль освіти кисню належала зеленим водоростям, тепер лісам.
Рис. 2. Графік зміни змісту О₂ в атмосфері у процесі еволюції.
Одним із наслідків підвищення вмісту кисню в атмосфері є утворення озонового шару, що захищає живі організми від шкідливого сонячного випромінювання.
Вважається, що саме після утворення шару озону стало можливим життя на суші.
Фотосинтез є одночасно першоджерелом, і чинником розвитку життя Землі.
Значення фотосинтезу на сучасному етапі набуло нового аспекту. Фотосинтез стримує зростання концентрації СО₂ у повітрі, що йде за рахунок спалювання палива на транспорті та промисловості. Цим послаблюється парниковий ефект. Інтенсивність фотосинтезу підвищується зі зростанням концентрації СО₂ до певної межі.
Рис. 3. Графік залежності фотосинтезу від вмісту СО₂ у повітрі.
Що ми дізналися?
Щоб зрозуміти, яке значення фотосинтезу в природі, потрібно оцінити масштаб утвореної на Землі біомаси та роль кисню для життя всіх організмів. Фотосинтез - одна з сил, що створили сучасний образ планети, і безперервно забезпечують життєво важливі процеси живлення та дихання.
Тест на тему
Оцінка доповіді
Середня оцінка: 4.7. Усього отримано оцінок: 168.
Значення фотосинтезу у природі тривалий час оцінювалося не зовсім точно. На початковому етапі вивчення багато вчених вважали, що рослини виділяють стільки ж кисню, скільки поглинають. Насправді ретельні дослідження показали, що робота, яку виробляють рослини, носить грандіозний розмах. При своїх відносно невеликих розмірах зелені насадження виконують низку корисних функцій, спрямованих на підтримання життя Землі.
Найголовніше значення фотосинтезу - це забезпечення енергією всіх живих істот планети, включаючи людини. У зелених частинах рослин під впливом сонячних променів починає утворюватися кисень і безліч енергії. Ця енергія використовується рослинами для потреб лише частково, а невитрачений потенціал накопичується. Потім рослини йдуть на корм травоїдним тваринам, які отримують за рахунок цього необхідні без яких їх розвиток буде неможливим. Потім травоїдні тварини стають їжею для хижаків, їм також потрібна енергія, без якої життя просто зупиниться.
Трохи осторонь цієї знаходиться людина, тому для нього справжнє значення фотосинтезу проявляється не відразу. Просто багато людей намагаються довести, що вони не є частиною тваринного світу нашої планети. На жаль, подібне заперечення ні до чого не приведе, тому що всі живі організми залежать тією чи іншою мірою один від одного. Варто зникнути декільком видам тварин або рослин – і рівновага у природі сильно порушиться. Щоб пристосуватись до нових умов життя, інші живі організми будуть змушені шукати альтернативні джерела живлення. Щоправда, трапляються випадки, коли зникнення одних видів призводить до вимирання інших.
Значення фотосинтезу криється у виробництві енергії, а й у захисті від руйнації. Вчені довго намагалися з'ясувати, як зародилося життя на нашій планеті – і створили досить правдоподібну теорію. Виявилося, що різноманітність живих організмів стала можливою лише завдяки наявності захисної атмосфери, яка сформувалася за рахунок інтенсивної роботи величезної кількості рослин. Звичайно, при розмірах сучасних лісів та окремих рослин не віриться у таке диво, але давні рослини були гігантською величиною.
Старі гіганти рослинного світу загинули, але навіть після загибелі вони приносять користь усьому людству. Енергія, яка в них накопичилася, тепер надходить у наші будинки у вигляді вугілля. Сьогодні роль цього виду палива значно знизилася, але довгий час людство рятувалося від холодів саме за його допомогою.
Також не варто забувати про те, що стародавні рослини передали свою естафету сучасним деревам та квітам, які підтримують безпеку атмосфери. Чим більше зелених насаджень на нашій планеті, тим чистіше повітря, яким ми дихаємо. Знищення та збільшення шкідливих призвело до того, що в озоновому шарі з'явилися дірки. Якщо людство не усвідомлює справжню роль фотосинтезу, воно призведе до самознищення. Просто без кисню та захисту ми не виживемо, а кількість тропічних лісів продовжує швидко зменшуватися.
Якщо люди дійсно хочуть зберегти життя на своїй планеті, вони мають повністю зрозуміти значення фотосинтезу. Коли кожна окрема людина визнає важливість рослин, коли ми перестанемо бездумно вирубувати ліси, тоді життя на Землі стане кращим і чистішим. Інакше людям доведеться навчитися витримувати палючі промені сонця, дихати смогом, шкідливими викидами та отримувати енергію з альтернативних джерел.
Тільки від нас завите те, яким буде наше майбутнє – і хочеться вірити, що люди зроблять правильний вибір.
Історія відкриття дивовижного і такого життєвого важливого явища, як фотосинтез сягає глибоко в минуле. Понад чотири століття тому 1600 року бельгійський учений Ян Ван - Гельмонт поставив найпростіший експеримент. Він помістив гілочку верби в мішок, де було 80 кг землі. Вчений зафіксував початкову вагу верби, а потім протягом п'яти років поливав рослину виключно дощовою водою. Яке ж було здивування Яна Ван – Гельмонта, коли він повторно зважив вербу. Вага рослини збільшилася на 65 кг, причому маса землі зменшилася всього на 50 гр! Звідки рослина взяла 64 кг 950 г поживних речовин для вченого залишилося загадкою!
Наступний значний експеримент на шляху відкриття фотосинтезу належав англійському хіміку Джозефу Прістлі. Вчений посадив під ковпак мишу, і за п'ять годин гризун помер. Коли ж Прістлі помістив з мишею гілочку м'яти і також накрив гризуна ковпаком, миша залишилася живою. Цей експеримент навів вченого на думку, що існує процес, протилежний дихання. Ян Інгенхауз в 1779 встановив той факт, що тільки зелені частини рослин здатні виділяти кисень. Через три роки швейцарський учений Жан Сенеб'є довів, що вуглекислий газ під впливом сонячних променів розкладається в зелених органоїдах рослин. Через п'ять років французький учений Жак Буссенго, проводячи лабораторні дослідження, виявив той факт, що поглинання рослинами води також відбувається і при синтезі органічних речовин. Епохальне відкриття 1864 року зробив німецький ботанік Юліус Сакс. Йому вдалося довести, що обсяг споживаного вуглекислого газу і кисню, що виділяється, відбувається в пропорції1:1.
Фотосинтез - один із найбільш значущих біологічних процесів
Говорячи науковою мовою, фотосинтез (від др.-грец. φῶς - світло і σύνθεσις - з'єднання, зв'язування) - це процес, у якому з вуглекислого газу та води на світлі утворюються органічні речовини. Головна роль цьому процесі належить фотосинтетичним сегментам.
Якщо говорити образно, лист рослини можна порівняти лабораторією, вікна якої виходять на сонячну сторону. Саме у ній відбувається утворення органічних речовин. Цей процес є основою існування всього живого Землі.
Багато хто резонно поставить питання: чим дихають люди, що живуть у місті, де не те що дерева, і травинки вдень з вогнем не знайдеш. Відповідь дуже проста. Справа в тому, що на частку наземних рослин припадає всього 20% кисню, що виділяється рослинами. Чільну роль виробленні кисню в атмосферу грають морські водорості. На їхню частку припадає 80% від кисню, що виробляється. Говорячи мовою цифр, і рослини, і водорості щороку виділяють у повітря 145 млрд. тонн (!) кисню! Недарма світовий океан називають «легкими планетами».
Загальна формула фотосинтезу виглядає так:
Вода + Вуглекислий газ + Світло → Вуглеводи + Кисень
Навіщо потрібен фотосинтез рослинам?
Як ми усвідомили, фотосинтез - це необхідна умова існування на Землі. Однак це не єдина причина, через яку фотосинтезуючі організми виробляють активне вироблення кисню в атмосферу. Справа в тому, що і водорості, і рослини щорічно утворюють понад 100 млрд. органічних речовин (!), які становлять основу їхньої життєдіяльності. Згадуючи експеримент Яна Ван-Гельмонта, ми розуміємо, що фотосинтез - це основа живлення рослин. Науково доведено, що 95% урожаю визначають органічні речовини, отримані рослиною у процесі фотосинтезу, та 5% – ті мінеральні добрива, які садівник вносить у ґрунт.
Сучасні дачники основну увагу приділяють ґрунтовому живленню рослин, забуваючи про його повітряне харчування. Невідомо, який урожай могли отримати садівники, якби вони уважно ставилися до процесу фотосинтезу.
Однак ні рослини, ні водорості не могли б так активно виробляти кисень і вуглеводи, якби не мали дивовижного зеленого пігменту - хлорофілу.
Таємниця зеленого пігменту
Головна відмінність клітин рослини від клітин інших живих організмів – це наявність хлорофілу. До речі, саме він є винуватцем того, що листя рослин пофарбоване саме в зелений колір. Ця складна органічна сполука має одну дивовижну властивість: вона здатна поглинати сонячне світло! Завдяки хлорофілу стає можливим і процес фотосинтезу.
Дві стадії фотосинтезу
Говорячи простою мовою, фотосинтез є процесом, при якому поглинені рослиною вода і вуглекислий газ на світлі за допомогою хлорофілу утворюють цукор і кисень. Таким чином, неорганічні речовини дивовижним чином перетворюються на органічні. Отриманий результаті перетворення цукор є джерелом енергії рослин.
Фотосинтез має дві стадії: світлову та темнову.
Світлова фаза фотосинтезу
Здійснюється на мембранах тилакойдів.
Тілакойд – це структури, обмежені мембраною. Вони розташовуються у стромі хлоропласту.
Порядок подій світлової стадії фотосинтезу:
- На молекулу хлорофілу потрапляє світло, яке потім поглинається зеленим пігментом і приводить його до збудженого стану. Входить до складу молекули електрон переходить більш високий рівень, бере участь у процесі синтезу.
- Відбувається розщеплення води, під час якого протони під впливом електронів перетворюються на атоми водню. Згодом вони витрачаються на синтез вуглеводів.
- На завершальному етапі світлової стадії відбувається синтез АТФ (Аденозінтріфосфат). Це органічна речовина, яка відіграє роль універсального акумулятора енергії у біологічних системах.
Темнова фаза фотосинтезу
Місцем перебігу темнової фази є строму хлоропластів. Саме в ході темнової фази відбувається виділення кисню та синтез глюкози. Багато хто подумає, що така назва ця фаза отримала тому, що процес, що відбуваються в рамках цього етапу, здійснюються виключно в нічний час. Насправді це не зовсім вірно. Синтез глюкози відбувається цілодобово. Справа в тому, що саме на даному етапі світлова енергія більше не витрачається, а отже, вона просто не потрібна.
Значення фотосинтезу для рослин
Ми вже визначили той факт, що фотоінтез потрібен рослинам нічим не менше, ніж нам. Про масштаби фотосинтезу дуже просто говорити мовою цифр. Вчені розрахували, що тільки рослини суходолу запасають стільки сонячної енергії, скільки могли б витратити 100 мегаполісів протягом 100 років!
Дихання рослин – це процес, протилежний фотосинтезу. Сенс дихання рослин полягає у звільненні енергії в процесі фотосинтезу та спрямування її на потреби рослин. Говорячи простою мовою, урожай – це різниця між фотосинтезом та диханням. Чим більший фотосинтез і нижчий подих, тим більший урожай, і навпаки!
Фотосинтез - це дивовижний процес, який робить можливим життя на Землі!
Фотосинтезомназивають процес перетворення енергії світла на енергію хімічних зв'язків органічних сполук за участю хлорофілу.
В результаті фотосинтезу утворюється близько 150 млрд. тонн органічної речовини і приблизно 200 млрд. тонн кисню щорічно. Цей процес забезпечує кругообіг вуглецю в біосфері, не даючи накопичуватися вуглекислому газу і перешкоджаючи тим самим виникненню парникового ефекту та перегріву Землі. Органічні речовини, що утворюються в результаті фотосинтезу, не витрачаються іншими організмами повністю, значна їх частина протягом мільйонів років утворила поклади корисних копалин (кам'яного та бурого вугілля, нафти). Останнім часом як паливо почали використовувати також рапсову олію («біодизель») та спирт, отриманий з рослинних решток. З кисню під дією електричних розрядів утворюється озон, який формує озоновий екран, що захищає все живе Землі від згубної дії ультрафіолетових променів.
Наш співвітчизник, видатний фізіолог рослин К. А. Тімірязєв (1843-1920) назвав роль фотосинтезу «космічної», оскільки він пов'язує Землю із Сонцем (космосом), забезпечуючи приплив енергії на планету.
Фази фотосинтезу. Світлові та темнові реакції фотосинтезу, їх взаємозв'язок
У 1905 році англійський фізіолог рослин Ф. Блекмен виявив, що швидкість фотосинтезу не може збільшуватися безмежно, якийсь фактор обмежує її. На підставі цього він висунув припущення про наявність двох фаз фотосинтезу: світловийі темновий.При низькій інтенсивності освітлення швидкість світлових реакцій зростає пропорційно до наростання сили світла, і, крім того, дані реакції не залежать від температури, оскільки для їх протікання не потрібні ферменти. Світлові реакції протікають на мембранах тілакоїд.
Швидкість темнових реакцій, навпаки, зростає з підвищенням температури, однак після досягнення температурного порога в 30°С це зростання припиняється, що свідчить про ферментативний характер зазначених перетворень, що відбуваються в стромі. Слід зазначити, що світло надає на темнові реакції певний вплив, незважаючи на те, що вони називаються темновими.
Світлова фаза фотосинтезу (рис. 2.44) протікає на мембранах тилакоїдів, що несуть кілька типів білкових комплексів, основними з яких є фотосистеми I та II, а також АТФ-синтаза. До складу фотосистем входять пігментні комплекси, в яких, крім хлорофілу, є і каротиноїди. Каротиноїди вловлюють світло у тих областях спектру, у яких цього не робить хлорофіл, а також захищають хлорофіл від руйнування світлом високої інтенсивності.
Крім пігментних комплексів, фотосистеми включають і низку білків-акцепторів електронів, які послідовно передають один одному електрони від молекул хлорифілу. Послідовність цих білків називається електротранспортним ланцюгом хлоропластів.
З фотосистемою II також асоційовано спеціальний комплекс білків, який забезпечує виділення кисню у процесі фотосинтезу. Цей кисень виділяє комплекс містить іони марганцю і хлору.
В світловій фазікванти світла, або фотони, які потрапляють на молекули хлорофілу, розташовані на мембранах тилакоїдів, переводять їх у збуджений стан, що характеризується вищою енергією електронів. При цьому збуджені електрони від хлорофілу фотосистеми I передаються через ланцюг посередників на переносник водню НАДФ, який при цьому приєднує протони водню, що є у водному розчині:
НАДФ+ 2е-+ 2Н + → НАДФН + Н +.
Відновлений НАДФН + Н + буде згодом використаний у темній стадії. Електрони від хлорофілу фотосистеми II також передаються по електронтранспортному ланцюзі, проте вони заповнюють «електронні дірки» хлорофілу фотосистеми I. Нестача електронів у хлорофілі фотосистеми II заповнюється за рахунок забирання у молекул води, яке відбувається за участю згадуваного вище кисневиділяючого комплексу. В результаті розкладання молекул води, яке називається фотолізом,утворюються протони водню та виділяється молекулярний кисень, що є побічним продуктом фотосинтезу:
Н 2 0 →2Н + +2е- +1/2О 2
Протони водню, що накопичилися в порожнині тилакоїда в результаті фотолізу води та нагнітання при переносі електронів по електронтранспортному ланцюзі, випливають з тилакоїда через канал у мембранному білку - АТФ-синтазі, при цьому з АДФ синтезується АТФ. Цей процес називається фотофосфорилування.Він вимагає участі кисню, проте дуже ефективний, оскільки дає у 30 разів більше АТФ, ніж мітохондрії у процесі окислення. АТФ, що утворилася у світлових реакціях, згодом буде використана в темнових реакціях.
Сумарне рівняння реакцій світлової фази фотосинтезу можна записати так:
2Н 2 0 + 2НАДФ + 3АДФ + ЗН 3 Р04 → 2НАДФН + Н + + 3АТФ.
В ході темнових реакційфотосинтезу (рис. 2.45) відбувається зв'язування молекул С0 2 у вигляді вуглеводів, на яке витрачаються молекули АТФ і НАДФН + Н + синтезовані у світлових реакціях:
6С0 2 + 12 НАДФН + Н + + 18АТФ → З 6 Н 12 0 6 + 6Н 2 0 + 12 НАДФ + 18АДФ + 18Н 3 Р0 4 .
Процес зв'язування вуглекислого газу є складним ланцюгом перетворень, названим циклом Кальвінана честь його першовідкривача. Темнові реакції протікають у стромі хлоропластів. Для їх протікання необхідний постійний приплив вуглекислого газу ззовні через продихи, а потім і по системі міжклітинників.
Першими в процесі фіксації вуглекислого газу утворюються тривуглецеві цукру, що є первинними продуктами фотосинтезу, тоді як глюкозу, що утворюється пізніше, яка витрачається на синтез крохмалю та інші процеси життєдіяльності, називають кінцевим продуктом фотосинтезу.
Таким чином, у процесі фотосинтезу енергія сонячного світла перетворюється на енергію хімічних зв'язків складних органічних сполук не без участі хлорофілу. Сумарне рівняння фотосинтезу можна записати так:
6С0 2 + 12Н 2 0 → С 6 Н 12 0 6 + 60 2 + 6Н 2 0, або
6С0 2 + 6Н 2 0 →С 6 Н 12 0 6 + 60 2 .
Реакції світлової та темнової фаз фотосинтезу взаємопов'язані, так як збільшення швидкості лише однієї групи реакцій впливає на інтенсивність всього процесу фотосинтезу тільки до певного моменту, поки друга група реакцій не виступить у ролі лімітуючого фактора, і виникає потреба у прискоренні реакцій другої групи для того, щоб перші відбувалися без обмежень.
Світлова стадія, що протікає в тілакоїдах, забезпечує запасання енергії для утворення АТФ та переносників водню. На другій стадії, темнова, енергетичні продукти першої стадії використовуються для відновлення вуглекислого газу, і відбувається це в компартментах строми хлоропластів.
На швидкість фотосинтезу впливають різні чинники довкілля: освітленість, концентрація вуглекислого газу атмосфері, температура повітря і грунту, доступність води та інших.
Для характеристики фотосинтезу використається поняття його продуктивності.
Продуктивність фотосинтезу- це маса синтезованої за 1 годину глюкози на 1 дм 2 листової поверхні. Цей показник фотосинтезу максимальний за оптимальних умов.
Фотосинтез властивий не тільки зеленим рослинам, а й багатьом бактеріям, у тому числі ціанобактеріям, зеленим і пурпурним бактеріям, проте останні можуть мати деякі відмінності, зокрема, при фотосинтезі бактерії можуть не виділяти кисню (це не стосується ціанобактерій).
