Процесс фотосинтеза, организмы, типы, факторы и функции

Содержание

В фотосинтез Это биологический процесс, при котором солнечный свет преобразуется в химическую энергию и сохраняется в органических молекулах. Это связь между солнечной энергией и жизнью на Земле.

Метаболически растения относятся к автотрофам. Это означает, что им не нужно потреблять пищу, чтобы выжить, поскольку они могут сами производить ее посредством фотосинтеза. Все растения, водоросли и даже некоторые бактерии являются фотосинтезирующими организмами, характеризующимися зеленым цветом тканей или структур.

Этот процесс происходит в органеллах, называемых хлоропластами: мембранных субклеточных компартментах, содержащих ряд белков и ферментов, которые позволяют развиваться сложным реакциям. Кроме того, это физическое место, где хранится хлорофилл, пигмент, необходимый для фотосинтеза.

Путь, по которому углерод следует во время фотосинтеза, начиная с углекислого газа и заканчивая молекулой сахара, известен с удивительной точностью. Исторически путь делился на светлую фазу и темную фазу, пространственно разделенные в хлоропласте.

Легкая фаза происходит в мембране тилакоида хлоропласта и включает в себя распад молекулы воды на кислород, протоны и электроны. Последние передаются через мембрану для создания резервуара энергии в виде АТФ и НАДФН, которые используются на следующем этапе.

Темная фаза фотосинтеза происходит в строме хлоропласта. Он заключается в превращении диоксида углерода (CO₂) в углеводах с помощью ферментов цикла Кальвина-Бенсона.

Фотосинтез — важнейший путь для всех живых организмов на планете, служащий источником начальной энергии и кислорода. Гипотетически, если фотосинтез перестанет работать, массовое вымирание всех «высших» живых существ произойдет всего через 25 лет.

Фазы фотосинтеза растений

Внутри хлоропласта фотосинтез происходит в две отдельные фазы:

Фотосинтез. Фаза I

Составляет световые реакции, потому и называется световой.

Приводимая в действие световой энергией, вода окисляется: она разделяется на электроны и протоны с высокой энергией. Эти электроны и протоны используются для восстановления окисленного электронного носителя NADP до его восстановленной высокоэнергетической формы NADPH. Энергия, полученная во время световых реакций, также используется для преобразования низкоэнергетического АДФ и неорганического фосфата в высокоэнергетическую АТФ. Продуктом отходов (но одним из важнейших для аэробных организмов, таких как мы) является кислород, обозначенный цифрой. Все это происходит в тилакоидных мешочках с выходом световых реакций, перемещающихся в строму для поддержки второй фазы фотосинтеза.

Фотосинтез. Фаза II

Вторая фаза фотосинтеза использует продукты Фазы 1 в качестве входных данных (исключая кислород, который проникает в атмосферу). Фаза 2 известна как цикл Кальвина, в честь биохимика из Беркли Мелвина Кальвина, который получил Нобелевскую премию за совместное открытие цикла в 1961 году. Поскольку цикл Кальвина не зависит напрямую от света, вторую фазу называют темновой.

Во время цикла Кальвина ключевым внешним входом является диоксид углерода. Используя энергию от АТФ, а также электроны и водород от обогащенного энергией восстановленного электронного носителя NADPH, диоксид углерода восстанавливается, превращаясь в трехуглеродный глицеральдегидфосфат или G3P, которые могут быть преобразованы в глюкозу или что-либо еще, в чем нуждается растение.

Что такое фотосинтез

Термин имеет древнегреческие корни: «фото» — это свет, а «синтез» — это соединение.

Фотосинтез можно кратко описать как процесс, в ходе которого органическое вещество образуется из неорганических веществ.

Наиболее важными результатами фотосинтеза у растений являются:

• поглощение двуокиси углерода (CO2) из воздуха;
• выделение кислорода (O2) в атмосферу — его источником является вода (H2O), от которой отрываются атомы водорода;
• производство собственных питательных веществ (в основном глюкозы), хранящихся в клетках растений.

У фотосинтезирующих бактерий фотосинтез протекает несколько иначе: генератором кислорода является не вода, а сероводород (H2S). Однако суть явления не меняет ничего из следующего: в его основе лежит процесс, который характеризуется передачей электронов от поставщика молекулы (донора) к принимающей структуре (акцепторам).

Строение листьев растений

Мы не можем полностью изучить фотосинтез, не зная больше о строении листа. Лист адаптирован для того, чтобы играть жизненно важную роль в процессе фотосинтеза.

Внешнее строение листьев

Площадь

Одной из самых главных особенностей растений является большая площадь поверхности листьев. Большинство зеленых растений имеют широкие, плоские и открытые листья, которые способны захватывать столько солнечной энергии (солнечного света), сколько необходимо для фотосинтеза.

Центральная жилка и черешок

Центральная жилка и черешок соединяются вместе и являются основанием листа. Черешок располагает лист таким образом, чтобы он получал как можно больше света.

Листовая пластинка

Простые листья имеют одну листовую пластину, а сложные – несколько. Листовая пластинка – одна из самых главных составляющих листа, которая непосредственно участвует в процессе фотосинтеза.

Жилы

Сеть жилок в листьях переносит воду от стеблей к листьям. Выделяемая глюкоза также направляется в другие части растения из листьев через жилки. Кроме того, эти части листа поддерживают и удерживают листовую пластину плоской для большего захвата солнечного света. Расположение жилок (жилкование) зависит от вида растения.

Основание листа

Основанием листа выступает самая нижняя его часть, которая сочленена со стеблем. Зачастую, у основания листа располагается парное количество прилистников.

Край листа

В зависимости от вида растения, край листа может иметь различную форму, включая: цельнокрайнюю, зубчатую, пильчатую, выемчатую, городчатую и т.п.

Верхушка листа

Как и край листа, верхушка бывает различной формы, включая: острую, округлую, туповатую, вытянутую, оттянутою и т.д.

Внутреннее строение листьев

Ниже представлена ​​близкая схема внутреннего строения тканей листьев:

Кутикула

Кутикула выступает главным, защитным слоем на поверхности растения. Как правило, она толще на верхней части листа. Кутикула покрыта веществом, похожим на воск, благодаря которому защищает растение от воды.

Эпидермис

Эпидермис – слой клеток, который является покровной тканью листа. Его главная функция – защита внутренних тканей листа от обезвоживания, механических повреждений и инфекций. Он также регулирует процесс газообмена и транспирации.

Мезофилл

Мезофилл – это основная ткань растения. Здесь происходит процесс фотосинтеза. У большинства растений мезофилл разделен на два слоя: верхний – палисадный и нижний – губчатый.

Защитные клетки

Защитные клетки – специализированные клетки в эпидермисе листьев, которые используются для контроля газообмена. Они выполняют защитную функцию для устьица. Устьичные поры становятся большими, когда вода есть в свободном доступе, в противном случае, защитные клетки становятся вялыми.

Устьице

Фотосинтез зависит от проникновения углекислого газа (CO2) из воздуха через устьица в ткани мезофилла. Кислород (O2), полученный как побочный продукт фотосинтеза, выходит из растения через устьица. Когда устьица открытые, вода теряется в результате испарения и должна быть восполнена через поток транспирации, водой, поглощенной корнями. Растения вынуждены уравновешивать количество поглощенного СО2 из воздуха и потерю воды через устьичные поры.

Типы фотосинтеза

Оксигенный и аноксигенный фотосинтез

Фотосинтез можно классифицировать по-разному. Первая классификация учитывает, использует ли организм воду для сокращения углекислого газа. Итак, у нас есть кислородные фотосинтезирующие организмы, в состав которых входят растения, водоросли и цианобактерии.

Напротив, когда организм не использует воду, их называют аноксигенными фотосинтезирующими организмами. Эта группа включает зеленые и пурпурные бактерии, например роды Chlorobium и СНготаИит, которые используют серу или газообразный водород, чтобы уменьшить диоксид углерода.

Эти бактерии не могут прибегать к фотосинтезу в присутствии кислорода, им нужна анаэробная среда. Поэтому фотосинтез не приводит к генерации кислорода — отсюда и название «аноксигенный».

Типы обмена веществ С₄ и CAM

Фотосинтез также можно классифицировать в соответствии с физиологическими адаптациями растений..

Снижение СО происходит у фотосинтетических эукариот₂ выходя из атмосферы в углеводы в цикле Кальвина. Этот процесс начинается с фермента рубиско (рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы / оксигеназы), и первым образующимся стабильным соединением является 3-фосфоглицериновая кислота, три углерода.

В условиях теплового стресса, называемого сильным излучением или засухой, фермент рубиско не может дифференцироваться между₂ и СО₂. Это явление заметно снижает эффективность фотосинтеза и называется фотодыханием.

По этим причинам существуют растения с особым фотосинтетическим метаболизмом, которые позволяют им избежать указанных неудобств..

Метаболизм С4

Тип С метаболизм₄ Его цель — концентрировать углекислый газ. Прежде чем Рубиско действует, C растения₄ выполнить первое карбоксилирование с помощью PEPC.

Обратите внимание, что между двумя карбоксилированием существует пространственное разделение. C растения4 Они отличаются тем, что имеют анатомию «кранц» или корону, образованную мезофильными клетками и являются фотосинтезирующими, в отличие от этих клеток при нормальном фотосинтезе или С3

В этих клетках первое карбоксилирование происходит с помощью PEPC, давая в качестве продукта оксалоацетат, который восстанавливается до малата. Это распространяется на клетку стручка, где происходит процесс декарбоксилирования с образованием СО₂. Двуокись углерода используется во втором карбоксилировании, направленном Рубиско.

Фотосинтез САМ

CAM-фотосинтез или кислотный метаболизм диких животных — это адаптация растений, которые живут в условиях крайней засухи, и типична для таких растений, как ананас, орхидеи, гвоздики и другие..

Усвоение углекислого газа у растений CAM происходит в ночные часы, так как потеря воды при открытии устьиц будет меньше, чем в дневное время..

КО₂ это объединено с PEP, реакцией, катализируемой PEPC, формируя яблочную кислоту. Этот продукт хранится в вакуолях, которые высвобождают свое содержимое в утренние часы, затем декарбоксилируется и СО₂ удается присоединиться к циклу Calvin.

Фотосинтез — просто и понятно!

Каждый человек обязан понимать, что такое фотосинтез

Для этого совсем не нужно писать сложные формулы, достаточно понять всю важность и волшебство этого процесса

Главную роль в процессе фотосинтеза играют растения – трава, деревья, кустарники. Именно в листьях растений на протяжении миллионов лет происходит удивительное превращение углекислого газа в кислород, так необходимый для жизни любителям дышать. Попробуем разобрать весь процесс фотосинтеза по порядку.

1. Растения берут из почвы воду с растворенными в ней минеральными веществами – азот, фосфор, марганец, калий, различные соли – всего больше 50 различных химических элементов. Это необходимо растениям для питания. Но из земли растения получают лишь 1/5 часть необходимых веществ. Остальные 4/5 они получают из воздуха!

2. Из воздуха растения поглощают углекислый газ. Тот самый углекислый газ, который мы выдыхаем каждую секунду. Углекислым газом растения дышат, как мы с вами дышим кислородом. Но и этого мало.

3. Незаменимый компонент в природной лаборатории — солнечный свет. Солнечные лучи в листьях растений пробуждают необычайную химическую реакцию. Как же это происходит?

4. В листьях растений есть удивительное вещество – хлорофилл. Хлорофилл способен улавливать потоки солнечного света и неутомимо перерабатывать полученные воду, микроэлементы, углекислый газ в органические вещества, необходимые каждому живому существу нашей планеты. В этот момент растения выделяют в атмосферу кислород! Именно эту работу хлорофилла ученые называют сложным словом – фотосинтез.

Презентацию по теме Фотосинтез можно скачать на образовательном портале Учителя.com

Значение фотосинтеза для жизни на Земле

Без фотосинтеза вместо множества живых организмов на нашей планете существовали бы одни лишь бактерии. Именно энергия, полученная в результате данного химического процесса, позволила бактериям эволюционировать.

Любые природные процессы нуждаются в энергии. Она поступает от Солнца. Но правильную форму солнечный свет приобретает лишь после того, как преобразовывается растениями.

Растения используют лишь часть энергии, а остальную накапливают в себе. Ими питаются травоядные животные, которые являются пищей для хищников. В ходе образовавшейся цепочки каждое звено получает необходимые ценные вещества и энергию.

Кислород, вырабатываемый в ходе реакции, необходим для дыхания всем существам. Дыхание представляет процесс, противоположный фотосинтезу. При этом органические вещества окисляются, разрушаются. Полученная энергия используется организмами для выполнения различных жизненно необходимых задач.

В период существования планеты, когда растений было мало, кислород практически отсутствовал. Примитивные формы жизни получали минимум энергии другими способами. Ее было слишком мало для развития. Поэтому дыхание за счет кислорода открыло более широкие возможности.

Еще одна функция фотосинтеза – защита организмов от воздействия ультрафиолетового света. Речь идет об озоновом слое, находящемся в зоне стратосферы на высоте около 20-25 км. Образуется он за счет кислорода, который превращается в озон под действием солнечного света. Без этой защиты жизнь на Земле ограничивалась бы только подводными организмами.

Организмы выделяют во время дыхания углекислый газ. Он является обязательным элементом фотосинтеза. В противном случае углекислый газ просто накапливался бы в верхних слоях атмосферы, значительно усиливая парниковый эффект.

Это серьезная экологическая проблема, суть которой состоит в повышении температуры атмосферы с негативными последствиями. К ним относится изменение климата (глобальное потепление), таяние ледников, повышение уровня Мирового океана и др.

Функции фотосинтеза:

• выделение кислорода;
• образование энергии;
• образование питательных веществ;
• создание озонового слоя.

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. 

Сообщение про Фотосинтез

На Земле живет множество живых существ — птицы, рыбы, различные насекомые, пресмыкающиеся, млекопитающие и другие, в том числе и человек. И почти все они дышат кислородом — газом, дающим жизнь живому и мертвому — вулканам и пожарам, газом, который потребляют все, выделяя непригодный для дыхания углекислый газ! Так откуда же он берется в атмосфере планеты?

На самом деле растения, обитающие на планете, как раз и строят себя из углекислого газа. Вернее, не самим газом, а углеродом, содержащимся в нем. Формула углекислого газа СО2, где С — углерод, идущий на питание растений, а О2 — две молекулы кислорода, выделяемые растением обратно в атмосферу. Получается, что все растения планеты не только потребляют кислород для собственного дыхания, но и производят его для всех.

Как это происходит?

В клетках зеленых частей растений содержатся особые органеллы — хлоропласты, именно они отвечают за фотосинтез. В них под воздействием света углерод из углекислого газа распадается на кислород, выделяющийся в атмосферу, и углеводы, остающиеся в растении в качестве строительного материала. Из них и состоит растение, в том числе и плоды, употребляемые в пищу. В темноте процесс фотосинтеза не происходит, наоборот, растение потребляет кислород, как и почти все живые существа, и не растет. Поэтому человек в малосолнечных регионах обеспечивает искусственное освещение культурным растениям, что позволяет получать хорошие урожаи. Кроме того, длительное нахождение в темном закрытом помещении с множеством растений может быть опасно.

Что обеспечивает фотосинтез?

Хлоропласты содержат специальный пигмент — хлорофилл, который впитывает в себя волны солнечного луча, отражая зеленую часть спектра, поэтому растения кажутся нам преимущественно зелеными. Именно с его участием под воздействием солнечного света неощутимый углекислый газ разлагается на кислород и твердый углерод, который под влиянием разных пигментов соединяется с другими газами и составляет углеводы и сахарА, из которых и состоит растение.

Интересно!

Кроме растений, фотосинтезом могут заниматься некоторые виды бактерий, так же, как и растения, питающиеся солнечным светом.

Некоторые животные, имеющие зеленую шерсть, тоже носят с собой хлорофилл, но он принадлежит бактериям, живущим внутри шерстинок.

Кроме хлорофилла, в фотосинтезе участвуют и другие пигменты, поэтому растения имеют разную окраску листвы. Цветы и плоды хлоропластов не имеют, а зеленый цвет вызван необходимостью маскировки незрелых плодов.

6, 9, 10 класс

Значение фотосинтеза

Если допустить повышение уровня углекислого газа в нижних слоях атмосферы повсеместно, а не только в экспериментальных теплицах, наступит парниковый эффект. Это то самое глобальное потепление, которое то ли уже приближается, то ли и не «светит».

Ученые не сходятся во мнениях. Если говорить о фактах, говорящих в пользу парникового эффекта, вспоминается таяние льдов Антарктики. Там обитают белые медведи. Уже несколько лет они включены в Красную книгу.

Частью жизни медведей исторически является преодоление водных широт на пути к новым ледникам. Устремляясь к ним, животные все чаще выбиваются из сил, так и не достигнув цели. Водные просторы увеличиваются.

Доплыть до клочков суши становится все сложнее. Порой, медведи гибнут в пути. Порой, краснокнижные хищники добираются до земли, но изможденными. Сил на охоту и переходов уже по твердой почве не остается.

Из вышесказанного делаем вывод: без фотосинтеза или с сокращением его доли, уровень углекислого газа в атмосфере спровоцирует парниковый эффект. Изменится не только климат планеты, но и состав ее обитателей, их облик, приспособления к окружающей среде.

Так будет до тех пор, пока доля углекислого соединения в воздухе не достигнет критического 1%. Далее, под вопрос встает сам фотосинтез. Воды мировых океанов могут остаться единственным его источником. Водоросли ведь тоже «дышат». Клетки, хранящие хлорофилл, у них другие.

Однако, суть процесса фотосинтеза у наземных и водных растений одна. Концентрация углекислого газа в атмосфере не обязательно передается водной среде. В ней баланс может сохраниться.

Некоторые ученые предполагают, что при постепенном увеличении доли углекислого газа в воздухе, представители флоры смогут приспособиться к новым условиям. Помидоры не станут сворачивать листья, капитулируя перед реалиями будущего.

Возможно, растения эволюционируют, научившись перерабатывать большее количество СО₂. Догадка ученых относится к категории «лучше не проверять». Слишком рискованно.

Значение фотосинтеза связано не только с поддержанием жизни самих растений и насыщением атмосферы Земли кислородом. Ученые бьются над искусственным проведением реакций.

Расщепляемая под действием радиации солнца  на водород и кислород вода – источник энергии. Энергия эта, в отличие от получаемой из нефтепродуктов и каменного угля, экологически чистая, безопасная.

Где происходит фотосинтез – не важно. Важна энергия, которую он несет с собой

Пока, человек получает ресурс, лишь поглощая растительную пищу. Возникает вопрос, как же выживают плотоядные? Они не зря охотятся на травоядных, а не себе подобных. В мясе животных, питающихся травами и листьями, сохраняется часть их энергии.

Кроме энергии фотосинтеза важны и его продукты. Кислород, к примеру, идет не только на дыхание животных, но и на образования озонового слоя. Он располагается в стратосфере Земли, на границе с космосом.

Озон – одна из модификаций кислорода, которую тот принимает, поднимаясь на тысячекилометровые высоты. Здесь элемент борется с радиацией Солнца. Не будь озонового слоя, излучение светила достигало бы поверхности планеты в опасных для всего живого дозах.

Интересно, что в деле поддержания баланса газов на планете могут помочь некоторые беспозвоночные. Слизень Elisia Chloroti, к примеру, научился ассимилировать хлоропласты водорослей.

Обитатель морей съедает их, «приручая» клетки с хлорофиллом в слизистой своего желудка. Геном слизня кодирует белки, необходимые зеленому пигменту для фотосинтеза.

Выработанные вещества поставляются хлоропластам и те «кормят» беспозвоночное сладенькой глюкозой. На ней и люди некоторое время способны выживать. Достаточно вспомнить больницы, где ослабленным вводят глюкозу внутривенно.

Сахар – основной источник энергии и, главное, быстрый. Цепочка преобразования глюкозы в чистую энергию короче, чем цепь преобразований жиров, белков. Конечно, сахар научились синтезировать искусственно.

Но, многие ученые склоняются к мнению, что полезнее для организма глюкоза растений, фруктов и овощей. Это подобно эффекту витаминов. У синтетических и природных один состав, но чуть разниться положение атомов. Опыты доказывают, что аптечный витамин С пользу дает сомнительную, а вот то же вещество из лимона или капусты – бесспорную.

Бесспорна и польза фотосинтеза. Он привычен и, одновременно, хранит еще много тайн. Познавайте их, дабы обеспечить счастливое будущее и себе, и планете в целом.