Что выделяется при фотосинтезе растений: Что происходит в растении при фотосинтезе?

Содержание

Новое соединение будет бороться с сорняками через подавление фотосинтеза

29 сентября, 2022 12:11

Источник:

пресс-служба РНФ

Ученые разработали новое химическое соединение, ингибирующее фотосинтез в листьях растений: оно подавляет активность белкового комплекса, который осуществляет одну из ключевых реакций процесса — разложение воды до кислорода. Новое вещество может стать прототипом гербицидов, борющихся с сорными растениями, при этом оно безвредно для человека и животных. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Cells.

Фотосинтез — процесс, благодаря которому растения на свету синтезируют органические соединения из углекислого газа и воды. Он осуществляется с помощью двух крупных белковых комплексов — фотосистем 1 и 2 (ФС1 и ФС2), каждая из которых состоит из реакционного центра, окружающих его белков и пигментов. Под действием солнечного света хлорофилл в реакционном центре переходит в возбужденное состояние и передает свои электроны другим молекулам в составе фотосистемы. Последующие переходы электронов сопровождаются накоплением высокоэнергетических молекул, например АТФ, участвующих в синтезе органических соединений. Нехватка электронов, ушедших с хлорофилла, компенсируется за счет разложения молекул воды — именно в ходе этого процесса выделяется кислород как побочный продукт.

Ученые из Института фундаментальных биологических проблем Российской академии наук (Пущино) с коллегами из Университета Гази (Турция) синтезировали новое соединение на основе меди и органического фрагмента, подавляющее фотосинтез в листьях. Чтобы определить действие вещества, авторы выделяли из листьев обогащенные ФС2 тилакоидные мембраны — структуры внутри хлоропластов — и к полученной суспензии добавляли раствор нового соединения. Ингибирующее действие оценивали по тому, насколько уменьшалось вызванное освещением выделение кислорода — так, его скорость удалось снизить на 69%. Кроме того, влияние вещества смотрели по ряду других реакций, характеризующих активность ФС2: например, добавление ингибитора уменьшало свечение хлорофилла при фотосинтезе. При этом эффективность работы препарата не менялась со временем, а зависела только от его концентрации.

Снижение выделения кислорода свидетельствовало о том, что фотосистема работала менее эффективно. Предполагается, что основная мишень нового гербицида — реакционный центр белкового комплекса: вещество связывалось с ядром ФС2 и изменяло его структуру. В результате, как считают ученые, нарушался процесс передачи заряда между компонентами цепи переноса электронов.

Разработанный ингибитор может быть использован в создании нового гербицида, который будет применяться, например, при борьбе с быстрорастущим сорными растениями, появляющимися до прорастания сельскохозяйственных культур. При этом подавление именно реакции разложения воды, осуществляющейся только в растительной клетке, позволяет предполагать, что гербицид окажется безопасным для человека и животных.

«Мы разработали соединение, которое позволит эффективно избавляться от нежелательных видов растений, существенно повышая, таким образом, урожайность сельскохозяйственных культур. Эти данные могут стать фундаментальной основой для разработки веществ, эффективно действующих при максимально низких концентрациях», — рассказывает первый автор работы Сергей Жармухамедов, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник Института фундаментальных биологических проблем РАН.

Также в исследовании приняли участие ученые из Института молекулярной биологии и биотехнологии Национальной академии наук Азербайджана (Баку), Института физиологии растений имени К.А. Тимирязева (Москва), Университета короля Сауда (Саудовская Аравия) и Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва).

Теги

Пресс-релизы

Фотосинтез

К содержанию

Фотосинтез — процесс синтеза органических веществ за счет энергии света.
Организмы, которые способны из неорганических соединений синтезировать органические вещества, называют автотрофными. Фотосинтез свойственен только клеткам автотрофных организмов. Гетеротрофные организмы не способны синтезировать органические вещества из неорганических соединений.
Клетки зеленых растений и некоторых бактерий имеют специальные структуры и комплексы химических веществ, которые позволяют им улавливать энергию солнечного света.

Роль хлоропластов в фотосинтезе

В клетках растений имеются микроскопические образования — хлоропласты. Это органоиды, в которых происходит поглощение энергии и света и превращение ее в энергию АТФ и иных молекул — носителей энергии. В гранах хлоропластов содержится хлорофилл — сложное органическое вещество. Хлорофилл улавливает энергию света для использования ее в процессах биосинтеза глюкозы и других органических веществ. Ферменты, необходимые для синтеза глюкозы, расположены также в хлоропластах.

Световая фаза фотосинтеза

Квант красного света, поглощенный хлорофиллом, переводит электрон в возбужденное состояние. Возбужденный светом электрон приобретает большой запас энергии, вследствие чего перемещается на более высокий энергетический уровень. Возбужденный светом электрон можно сравнить с камнем, поднятым на высоту, который также приобретает потенциальную энергию. Он теряет ее, падая с высоты. Возбужденный электрон, как по ступеням, перемещается по цепи сложных органических соединений, встроенных в хлоропласт. Перемещаясь с одной ступени на другую, электрон теряет энергию, которая используется для синтеза АТФ. Растративший энергию электрон возвращается к хлорофиллу. Новая порция световой энергии вновь возбуждает электрон хлорофилла. Он снова проходит по тому же пути, расходуя энергию на образования молекул АТФ.
Ионы водорода и электроны, необходимые для восстановления молекул-носителей энергии, образуются при расщеплении молекул воды. Расщепление молекул воды в хлоропластах осуществляется специальным белком под воздействием света. Называется этот процесс фотолизом воды.
Таким образом, энергия солнечного света непосредственно используется растительной клеткой для:
1. возбуждения электронов хлорофилла, энергия которых далее расходуется на образование АТФ и других молекул-носителей энергии;
2. фотолиза воды, поставляющего ионы водорода и электроны в световую фазу фотосинтеза.
При этом выделяется кислород как побочный продукт реакций фотолиза. Этап, в течение которого за счет энергии света образуются богатые энергией соединения — АТФ и молекулы-носители энергии, называют световой фазой фотосинтеза.

Темновая фаза фотосинтеза

В хлоропластах есть пятиуглеродные сахара, один из которых рибулозодифосфат, является акцептором углекислого газа. Особый фермент связывает пятиуглеродный сахар с углекислым газом воздуха. При этом образуется соединения, которые ща счет энергии АТФ и иных молекул-носителей энергии восстанавливаются до шестиуглеродной молекулы глюкозы. Таким образом, энергия света, преобразованная в течение световой фазы в энергию АТФ и иных молекул-носителей энергии, используется для синтеза глюкозы. Эти процессы могут идти в темноте.
Из растительных клеток удалось выделить хлоропласты, которые в пробирке под действием света осуществляли фотосинтез — образовывали новые молекулы глюкозы, при этом поглощали углекислый газ. Если прекращали освещать хлоропласты, то приостанавливался и синтез глюкозы. Однако если к хлоропластам добавляли АТФ и восстановленные молекулы-носители энергии, то синтез глюкозы возобновлялся и мог идти в темноте. Это означает, что свет действительно нужен только для синтеза АТФ и зарядки молекул-носителей энергии. Поглощение углекислого газа и образование глюкозы в растениях называют темновой фазой фотосинтеза, поскольку она может идти в темноте.
Интенсивное освещение, повышенное содержание углекислого газа в воздухе приводят к повышению активности фотосинтеза.

Другие заметки по биологии

Полезная информация?

Какие побочные продукты фотосинтеза?

Давайте начнем с основ биологии. Растения используют солнечный свет для преобразования углекислого газа и воды в химическую энергию, которая принимает форму органических соединений, которые они используют для роста и размножения. В процессе также образуются другие газы, называемые «побочными продуктами», которые включают кислород, а также расходуются вода и углекислый газ. Этот процесс называется фотосинтезом, и его корень по-гречески: phōs , «свет», и синтез , «сборка».

Поскольку кислород является одним из побочных продуктов фотосинтеза и жизненно важен для всех дыхательных процессов, это означает, что растения «подпитывают» всю аэробную жизнь (буквально означает «жить только в присутствии кислорода»). Это включает в себя большинство живых существ, которые вы могли бы назвать на макушке, от людей до насекомых, многих микроорганизмов и даже самих растений. Более того, растения подпитывают биосферу, преобразовывая солнечный свет в химическую энергию, к которой другие организмы могут получить доступ, поедая их. Поэтому растения называются первичные производители .

Химический обзор

Растения и другие организмы используют солнечный свет для преобразования воды в энергию. Растения, цианобактерии и различные водоросли полагаются на фотосинтез как на основной и часто единственный источник энергии, за что получили название фотоавтотрофов. Внутри растений есть уникальные структуры, называемые хлоропластами, которые содержат пигменты, чувствительные к свету, называемые хромофорами, такие как хлорофилл. Когда вырабатывается энергия, зеленые растения, цианобактерии или водоросли днем выделяют кислород, а ночью поглощают углекислый газ.

Ускоренный курс фотосинтеза

Светозависимые реакции и побочный кислород

В дневное время растения используют световую энергию для расщепления молекул воды – светозависимых реакции . Этот процесс происходит на мембранах тилакоидов, монетовидных структурах внутри хлоропластов. Там белки лишают молекулы воды электронов и производят ионы водорода (протоны) и кислорода . Это означает, что Кислород является побочным продуктом фотосинтеза.

Кислород образуется, когда световая энергия поглощается молекулами хлорофилла, расположенными в стенках клеток листа. Молекулы хлорофилла содержат светочувствительные атомы, которые возбуждаются при воздействии света. В процессе, называемом разделением зарядов , энергия фотона передается электрону. Хлорофилл проходит вокруг электрона к ряду молекулярных промежуточных соединений, называемых цепью переноса электронов из , и, в конце концов, после многих промежуточных реакций вода окисляется, в результате чего образуются O ₂ и H ^{+ .} Этот побочный продукт сложной реакции является источником большей части кислорода в атмосфере Земли.

Светонезависимые реакции

Растения используют протон, образующийся в светозависимых реакциях, для производства пищи во время цикла Кальвина. Этот светонезависимый процесс происходит в строме, заполненной жидкостью области вне мембран тилакоидов. Поскольку ему не нужен свет, теоретически он может происходить ночью и также называется 9-м.0003 темновые реакции или светонезависимые реакции , но в действительности продукты светозависимых реакций недолговечны, поэтому эти два процесса тесно связаны. Затем протон используется в другой серии реакций для образования двух дополнительных соединений, которые служат краткосрочными запасами энергии, называемых никотинамидадениндинуклеотидфосфатом (НАДФН) и аденозинтрифосфатом (АТФ). Подобно тому, как доллар является валютой экономики США, АТФ и НАДФН являются «химической энергетической валютой» «энергетической экономики» клетки.

АТФ и НАДФН используются для восстановления CO2, превращая его в органические соединения, называемые углеводами, такие как глюкоза. Эти простые углеводы хранятся в виде более сложных крахмалов внутри растительных клеток для будущего использования. По мере роста растения эти сложные углеводы снова превращаются в сахара, а затем используются растением для жизненно важных функций, таких как создание новых тканей во время роста или для использования в качестве энергии в трудные времена, такие как зима или засуха.

Кислород обычно выделяется вскоре после его производства, в дневное время, но у некоторых растений есть задержка, например у некоторых суккулентов, адаптированных к жарким пустыням, которые открывают свои устьица только ночью, чтобы избежать повреждения тепла и потери воды.

Углекислый газ накапливается в процессе фотосинтеза, но может выделяться

Углекислый газ, поглощаемый из атмосферы, используется в качестве строительного материала в процессе фотосинтеза. Растения используют углекислый газ для производства углеводов, белков, жиров и других органических соединений. Благодаря различным процессам, естественным или искусственным, получаемые органические вещества могут храниться в течение длительного времени, поэтому растения и водоросли играют ключевую роль в секвестрации углерода .

Обсуждая это, мы должны понимать, что экосистемы зависят от сложных, переплетенных потоков и циклов, а не от простых линейных процессов. Например, днем растения выделяют кислород и потребляют углерод посредством фотосинтеза, а ночью их клеточное дыхание высвобождает углерод обратно в атмосферу. Но из этих двух потоков тот, который поглощает углерод, сильнее, поэтому они являются чистыми поглотителями углерода и чистыми источниками кислорода.

Например, мы можем посмотреть на водно-болотные угодья: наземные экосистемы, затопляемые водой в течение значительных повторяющихся периодов времени. Они являются важными поглотителями углерода, поскольку заболачивание препятствует полному разложению растительного материала. Это может хранить углерод в течение сотен лет, и в процессе ежегодно улавливается более 44 миллионов тонн углерода. Другим примером является образование почв, которые могут «закапывать» углерод в геологическом масштабе времени. Искусственные процессы также могут ускорить секвестрацию углерода. Путем пиролиза биомассы люди производят biochar , который может храниться в почве в течение тысяч лет и может значительно смягчить последствия изменения климата, если делать это устойчиво.

Однако, если растениям позволяют разлагаться естественным образом, накопленный углерод в основном выбрасывается обратно в атмосферу. Люди могут выбрасывать огромное количество CO2 в атмосферу, осушая торфяники, вырубая старовозрастные леса и уничтожая пастбища, и в то же время ограничивая способность планеты повторно поглощать высвобождаемый углерод. В отличие от естественных процессов, мы, люди, обладаем самосознанием и научным пониманием последствий наших действий.

Заключение

Как энтузиасты охраны природы, обладающие пониманием фотосинтеза, мы обязаны обеспечить защиту экосистем, которые позволяют всем живым существам есть и дышать. Понимая природные циклы и то, как энергия и материя перетекают между системами, мы получаем инструменты, необходимые для обеспечения стабильного климата и мира, который способствует изобилию для всей жизни. Вооружившись этими знаниями, мы обязаны защищать мир живых.

Финбос
устойчивость
Загрязнение воздуха
Лес
Изменение климата
Растения
Среда

Пред.
Следующий

Получайте наш информационный бюллетень

Подпишитесь на нашу новостную рассылку и получайте обновления о наших последних статьях на свой почтовый ящик

Grootbos Florilegium – чествование наследия сохранения финбоса из Флористического региона Капской провинции Южной Африки

Образ жизни27 декабря 2022 г. 9000

Расширение масштаба: защита панголинов, по одному пангощенку за раз

Дикая природа23 ноября 2022 г.

Политика сохранения тигров

Дикая природа21 ноября 2022 г.

Фотосинтез: что это такое и как это работает?

Фотосинтез вокруг нас. Это происходит под нашими ногами, над головой и в освещенных солнцем зонах водной среды. Но что такое фотосинтез? Почему это так важно? И когда он развился? Ответы на эти и другие вопросы ниже.

Для тех, кто пропустил, посмотрите на эти пять удивительных приспособлений растений или узнайте, обладают ли растения сознанием.

Что такое фотосинтез?

Фотосинтез – это процесс синтеза молекул углеводов. Он используется растениями, водорослями и некоторыми бактериями для превращения солнечного света, воды и углекислого газа в кислород и энергию в форме сахара. Вероятно, это самый важный биохимический процесс на планете.

По сути, он поглощает углекислый газ, выделяемый всеми дышащими организмами, и вновь вводит его в атмосферу в виде кислорода.

На скорость фотосинтеза влияют интенсивность света, концентрация углекислого газа, водоснабжение, температура и наличие минералов. Процесс происходит полностью в хлоропластах, и именно хлорофилл внутри хлоропластов делает фотосинтезирующие части растения зелеными.

Фотосинтез важен и в других частях биосферы. Как морские, так и наземные растения удаляют углекислый газ из атмосферы, и часть его осаждается обратно в виде оболочек из карбоната кальция или закапывается в виде органического вещества в почву.

Без фотосинтеза невозможен круговорот углерода, и вскоре у нас закончится еда. Со временем атмосфера потеряет почти весь газообразный кислород, и большинство организмов исчезнет.

Как работает фотосинтез?

Растениям требуется световая энергия, углекислый газ, вода и питательные вещества. Эти ингредиенты поступают как из окружающей атмосферы, так и из почвы.

Фаза 1

Растения поглощают солнечный свет через два верхних слоя листьев: кутикулу и эпидермис. Эти слои тонкие, поэтому свет может легко проходить через них. Углекислый газ поступает из атмосферы, и в то же время вода из почвы втягивается в тело живого растения.

Больше похоже на это

Фаза 2

Прямо под кутикулой и эпидермисом находятся палисадные клетки мезофилла. Эти специализированные клетки вытянуты вертикально и расположены близко друг к другу, чтобы максимизировать поглощение света.

Под столбчатыми клетками мезофилла находится губчатая ткань мезофилла, которая рыхло упакована для эффективного газообмена. Когда газы входят и выходят из этих клеток, они растворяются в тонком слое воды, покрывающем клетки.

Фаза 3

Внутри палисадных клеток мезофилла много хлоропластов. Они содержат хлорофилл, молекулы, которые не поглощают зеленые длины волн белого света. Вместо этого они отражают его обратно нам, придавая растениям зеленый цвет.

Фаза 4

Магия происходит внутри хлоропласта. Происходит светозависимая реакция, при которой энергия световых волн поглощается и сохраняется в энергонесущих молекулах АТФ.

Затем в светонезависимой реакции (цикл Кальвина) АТФ используется для производства глюкозы, источника энергии. Вода окисляется, углекислый газ восстанавливается, а кислород выбрасывается в атмосферу.

Кислород высвобождается через устьица в листьях, микроскопические поры, которые открываются, пропуская углекислый газ и выделяя кислород (и водяной пар).

Какое уравнение фотосинтеза?

Фотосинтезирующие организмы составляют основу пищевой цепи.

Углекислый газ + вода (с энергией света) = глюкоза + кислород

Помимо энергии света, углекислого газа и воды, растениям также нужны питательные вещества, которые они получают из почвы. Эти питательные вещества снова высвобождаются или перерабатываются, когда растительная ткань отмирает и начинает разлагаться в почве.

Кислород в виде молекул газа (O ₂ ) на самом деле является побочным продуктом фотосинтеза, но он отвечает за кислород в воздухе, который поддерживает нашу жизнь. Растения также выделяют энергию и воду в атмосферу посредством дыхания.

6CO ₂ + 6H ₂ O → C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂

4 9 Шесть молекул углекислого газа и шесть молекул воды (реагенты) превращаются в одну молекулу сахара (C ₆ H ₁₂ O ₆₎ и шесть молекул кислорода за счет энергии света, захваченной хлорофиллом.

Фотосинтез и пищевая цепь

Во время фотосинтеза энергия проходит через систему, и вы можете думать о фотосинтезе как о системе потока энергии, прослеживающей путь солнечной энергии через экосистему. Эта энергия запасается первичными продуцентами, фотосинтезирующими организмами. Когда эти организмы поедаются и перевариваются первичными потребителями, высвобождается химическая энергия, которая используется для запуска новых биохимических реакций.

На каждом уровне преобразования энергии в пищевой цепи часть энергии теряется в виде отработанного тепла. Кроме того, значительное количество энергии, подводимой к каждому организму, используется в дыхании для поддержания тела этого организма. Эта энергия не запасается для использования другими организмами выше по пищевой цепочке. Это одна из причин, по которой как количество организмов, так и общее количество их живых тканей уменьшаются по мере продвижения вверх по пищевой цепочке.

Когда начался фотосинтез?

Эволюция фотосинтеза имела огромные последствия для Земли. Поскольку органическое вещество фотосинтетической жизни было погребено в слоях, углерод был удален из атмосферы, что позволило накапливать кислород.

Данные свидетельствуют о том, что фотосинтезирующие организмы существовали примерно 3,2–3,5 миллиарда лет назад в форме строматолитов. Строматолиты представляют собой слоистые микробные структуры (как правило, чередование светлых и темных слоев), обычно образованные цианобактериями и водорослями, и являются древнейшими известными окаменелостями и, следовательно, самыми ранними свидетельствами жизни на Земле.

Строматолиты представляют собой слоистые известковые насыпи, выделяемые цианобактериями и захваченными отложениями. Это самые старые известные окаменелости и самые ранние свидетельства жизни на Земле. Они все еще формируются сегодня, и эти из озера Тетис, Западная Австралия © Getty Images

Поскольку этот ранний кислород диффундировал в верхние слои атмосферы (стратосферу), солнечная радиация преобразовала молекулы кислорода в озон, который создал стратосферный озон. слой. И, конечно же, поскольку озоновый слой поглощает большую часть солнечного ультрафиолетового излучения (УФ-В), он играет важную роль в защите здоровья человека, поэтому маловероятно, что жизнь могла бы процветать без этого защитного экрана.

Что выделяется при фотосинтезе растений: Что происходит в растении при фотосинтезе? — задание. Биология, 6 класс.