Фотосинтез и дыхание у растений: Дыхание у растений — урок. Биология, 6 класс.

Фотосинтез и дыхание растений | Обучонок

Интересный факт из биологии, что процесс фотосинтеза осуществляется только днем с использованием энергии Солнца. Откуда растения получают энергию ночью, когда фотосинтез невозможен? Что происходит зимой, когда деревья сбрасывают свои зеленые листья? Неужели жизнь растения совсем замирает? В статье мы узнаем всё о дыхании растений.

Первое, что мы обычно узнаем о растениях на уроках биологии — это то, что они снабжают нас кислородом и очищают воздух от углекислого газа. Да, действительно, растения в процессе фотосинтеза используют СО2 для синтеза сахаров и выделяют кислород. А как же дыхание? Дышат ли растения?

Растения так же, как и мы с вами, относятся к аэробным организмам, а это значит, что для их жизнедеятельности нужен кислород. В растительных клетках, как и в клетках других ядерных организмов, есть «энергетические станции» — митохондрии. Для чего?

Процесс дыхания растений

В процессе дыхания органические вещества (как правило, углеводы) «сгорают» в митохондриях с использованием кислорода. Синтезируется энергетическая валюта клеток — АТФ, образуются вода и углекислый газ, а часть энергии выделяется в форме тепла.

Итак, фотосинтез у растений происходит на свете, а дыхание — 24 часа в сутки! Фотосинтез осуществляют только зеленые части растений, а дышат все его части!

Днем, когда фотосинтез и дыхание осуществляются одновременно, количество кислорода, образующегося обычно превышает количество выделенного углекислого газа. Ночью в воздух выделяется только углекислый газ.

Именно с этим связано существование ложных представлений о растениях-вампирах, которые отбирают энергию (это объясняют чрезмерным потреблением кислорода и выделением углекислого газа). Но приходилось ли вам ночевать когда в лесу в палатке?

Наверное, дышалось легко и никто не почувствовал недостатка кислорода. Надо понимать, что количество выделенного растением углекислого газа или поглощенного кислорода ночью незначительная по сравнению с тем количеством кислорода, которое она выделяет в день.

На самом деле люди, дыша, выделяют значительно больше углекислого газа, чем растения. Для того, чтобы образовалось столько углекислого газа, сколько его выделяет обычный человек, надо бы было почти 10000 кг растений! Если в вашей спальне их именно столько — открывайте двери и окна. Столько нет? Спите спокойно!

Итак, комнатные растения — прекрасные поставщики кислорода, особенно в зимний период. Многие из них обладают бактерицидными свойствами, а один из лучших способов очистки воздуха — правильное озеленение комнаты, в том числе использование растений, которые выделяют фитонциды (природные антибиотики). Установлено, что люди, у которых дома много растений, гораздо реже болеют, в частности гриппом.

От чего зависит дыхание растений?

Дышат все части растений: листья, стебли, корни и даже цветы. Интересно, что корни дышат слабее, чем фотосинтезирующие листья. А лепестки цветов (видоизмененные листья) дышат в 18-20 раз активнее, чем листья. Лиственные деревья дышат активнее, чем хвойные, а у растений засушливых земель — суккулентов — скорость дыхания очень низкая.

Интенсивность дыхания зависит от многих факторов: времени года, времени суток, температуры, интенсивности освещения и др.

Всего в процессе развития клеток, тканей, органов растений интенсивность дыхания сначала растет, достигает максимума на время максимальной скорости роста, а затем постепенно снижается. Человек также больше энергии требует в период активного роста.

Молодые деревья тратят треть суточных продуктов фотосинтеза на дыхание. Части растений, завершили рост (старые листья, стебли, древесина или созревшее семена) имеют невысокую интенсивность дыхания, но она никогда не падает до нуля.

У растений также бывают периоды кратковременного и усиленного дыхания. В сочных плодах перед полным созреванием происходит временная (2-3 дня) активация дыхания — климактерический подъем дыхания. Примером проявления активного дыхания растений является высокое содержание углекислого газа (до 13%, в норме — 0,03%) в атмосфере элеваторов, где хранят зерно.

Вследствие дыхания образуется вода, которая увлажняет семена, и выделяется тепло. Дышать в таких помещениях очень трудно. Температура семена на элеваторах может достигать + 60-90 ° С, и тогда семена «горят» и теряют способность прорастать.

Дыхание зависит и от атмосферного давления. Американский биолог Фрэнк Браун обнаружил, что дыхание в клетках ячеек клубней картофеля усиливается за роста атмосферного давления и наоборот. Глазки картофеля на двое суток раньше, чем барометр «предусматривают» изменение погоды. Перед дождем, то есть за снижения давления, они задерживают дыхание.

Дыхание растений происходит при различных температурах от -25 ° С до + 50- 60 ° С. Для большинства растений минимальная температура дыхания составляет 0 ° С. В промежутке температур от 0 ° C до 30 ° C с повышением температуры на каждые 10 ° C интенсивность дыхания возрастает только в 2 раза. При температурах свыше 40-50 ° C дыхания замедляется.

Высокие температуры — одна из причин усиленного дыхания тропических растений, которые «сжигают» 70-80% суточных продуктов фотосинтеза. Самая благоприятная температура для дыхания 35-40 ° С, для фотосинтеза она ниже на 5-10 ° С. Поэтому при высоких температурах растение интенсивно расходует органические вещества, а их синтез почти прекращается, что приводит к снижению урожая многим видам растений.

Что происходит с растениями зимой?

Да, растения продолжают дышать зимой! Летних запасов углеводов вполне достаточно для того, чтобы пережить зиму и восстановить рост весной. Почки плодовых деревьев дышат с -14 ° С, а хвоя сосны — даже при -25 ° С!

Усиливаются процессы дыхания у растений, пораженных болезнью. Профессор Калифорнийского университета С. Е. Ярвуд измерял температуру листьев растений, инфицированных вирусом или грибком, и сравнивал ее с температурой здорового растения. Температура больных частей растения повышалась аж на 2 ° С.

Разве не напоминают вам растения больных детей? Вспомните себя с температурой 38,6 ° С. Повышенная температура в устойчивых к заболеванию растений длится дольше, чем у неустойчивых. Оказывается, что в таких условиях в клетках синтезируются защитные фенольные соединения, ядовитые для возбудителей болезни. Усиленно дышат и раненые растения, что тоже приводит к заметному повышению их температуры в участках повреждения.

Дыхание — это не только процесс поставки энергии для роста и развития растительного организма. От дыхания зависит поглощение воды и питательных минеральных элементов. На промежуточных этапах дыхания образуются соединения (органические кислоты, сахар), используемых в различных реакциях обмена веществ. В засушливых условиях вода выделяется при дыхании, что может уберечь растение от обезвоживания! Подобно механизмам обеспечения водой верблюда, правда?

Как дышат растения?

Растения не имеют специальных органов дыхания, похожих на наши легкие. Кислород поступает к ним через естественные отверстия. Кроме этого, растения используют тот кислород, который образуется в процессе фотосинтеза. Надземные части растений получают кислород из воздуха непосредственно через поры.

Поры в листьях — это устьица, Поры на ветвях деревьев — чечевички. Как правило, устьица находятся с нижней стороны листочка. Они образованы особыми замыкающими клетками, содержащие зеленый пигмент хлорофилл. Через щель в листочек поступает воздух и испаряется влага.

На листочках водных растений, листья которых плавают на поверхности воды (например, кувшинки), устьица расположены только на верхней поверхности листа. Количество устьиц на 1 мм² листа в среднем составляет 300! Меньше устьиц обнаружено в листьях традесканции — 14 на мм², а больше всего — в листьях дуба болотного — 1200 на мм². Корни растений имеют поры.

На берегах Юго-Восточной Азии, Океании, Австралии, Мадагаскара, Экваториальной Африки на грани моря и суши растут мангровые растения. К ним относятся около 40 видов деревьев и кустарников, приспособившиеся к приливам, во время которых они до верхушки кроны погружаются в воду.

Мангры называют растениями-амфибиями. Во время отлива обнажается илистый грунт, пронизанный корнями и почти без кислорода. Как же мангровые растения выживают в таких условиях?

Мангры получают кислород с помощью особых дыхательных корней-пневматофор, которые, в отличие от обычных, растут вверх, имеют пористое строение и большие межклетники, заполненные воздухом. К условиях недостатка кислорода приспособлены и листья таких растений.

Так, авиценния — растение, названная в честь древнего персидского учёного-энциклопедиста врача и философа Авиценна, — во время прилива почти вся покрывается
водой, а нижняя поверхность ее листьев густо опушенная. Под водой между волосками задерживаются пузырьки воздуха, кислород которого растение использует во время затопления. А корни авиценнии — это прямостоячие вырасти, поднимающиеся на 20-25 см над поверхностью почвы. Благодаря хорошо развитой системе межклетников, воздух легко поступает в корень.

Пневматофоры есть не только у мангров, но и у растений, растущих на пресноводных болотах тропических и умеренных широт. В Новой Гвинее они есть у ротанговой пальмы, которую используют для изготовления мебели. Стебли этой лианы достигают иногда 200-300 м.

В Северной Америке пневматофоры у болотного кипариса — дерева, произрастающего в 35-45 м с диаметром ствола до 2 м. Цилиндрические пневматофоры этого дерева выступают над поверхностью почвы, особенно у растений, произрастающих недалеко от воды. На болоте люди могут ходить по пневматофору, как по мостовой. Мексиканцы устраивают в них улья.

Могут ли растения жить без кислорода?

В воздухе содержится примерно 21% кислорода.
Этого вполне достаточно для нормальной жизнедеятельности растений. Правильный уход за растениями способствует нормальному дыханию. Регулярно мойте или протирайте листики от пыли. Но помните, что с опушенными листочками делать это нужно очень осторожно, желательно использовать специальную кисточку.

Есть случаи, когда растения оказываются в условиях недостатка кислорода. Чаще всего эта проблема касается корней. В хорошо аэрированной почве кислорода не меньше, чем в воздухе — 7-12%, в плохо обработанном его содержание снижается до 2%. Именно поэтому не стоит обильно поливать комнатные растения.

Блокировка доступа воздуха к корням приводит к тому, что растение буквально тонет в воде загнивают корни, листочки опускаются и желтеют.

Как помочь такой ситуации?

Выньте растение из горшка, очистите от почвы, промойте и осмотрите корни. Если они прочные и невредимы, пересадите растение в горшок со свежей, чуть увлажненной землей. На дно горшка насыпьте керамзит или мелкие глиняные черепки (дренаж), что будет способствовать лучшему газообмена корней.

Поместите горшок в затененное место подальше от прямых солнечных лучей и поливайте только тогда, когда верхний слой почвы подсохнет вглубь на несколько сантиметров. Еще меньше кислорода в очень заболоченных почвах. В них корни повреждаются, отмирают, и рост растений замедляется или вовсе прекращается.

Мимоза, которая способна моментально составлять свои листочки в ответ на прикосновение, в анаэробных условиях цепенеет и не реагирует ни на одно раздражение.

Выдающийся французский ученый Луи Пастер показал, что растения в среде без кислорода образуют не только СО2, но и спирт. В естественных условиях это возможно при вымокании.

Спирт обнаруживают даже в воде у растений. Вследствие частых разливов в бассейне реки Амазонки образуются непроточные мелкие водоемы, которые очень хорошо прогреваются и освещаются. Затопленые растения таких водоемов превращают сахар в спирт — происходит процесс брожения.

Местные жители научились использовать такую «воду» для приготовления напитков. Некоторые виды амазонских рыб переходят к нересту лишь тогда, когда в водоемах есть определенное количество спирта. Незначительные количества спирта у плодах яблок, мандаринов и др. Однако некоторые растения, которые живут в условиях постоянного затопления, приспособились к недостатку кислорода.

Так возникли дыхательные корни или пневматофоры у растений мангровых зарослей. Знакомый вам ситник имеет особую ткань — аеренхиму, для которой свойственны большие межклетники, заполненные воздухом.

Аэренхима образуется и в корнях других растений в ответ на недостаток кислорода, Формируются дополнительные корни, которые значительно толще, имеют хорошо развитую аеренхиму и обеспечивают процессы дыхания. Ученые установили, что рогоз, ива, другие болотные растения в условиях нормального обеспечения кислородом дышат в 2-3 раза слабее, чем растения, не приспособленные к кислородному дефицита (горох, фасоль, пшеница или тополь).

Сниженая интенсивность дыхания связана с их низкой потребностью в кислороде. Содержание сахаров в их корнях выше, а расходы за недостатка кислорода экономные. Интересно, что болотные и водные растения в условиях анаэробиозу накапливают не этиловый спирт, а менее ядовитые для растения молочную и яблочную кислоты.

Таким образом, водные и болотные растения приспособились к недостатку кислорода двумя способами: путем изменения обмена веществ и особого строения. Несмотря на полезные приспособления, длительная нехватка кислорода вредит даже таким растениям. Однако благодаря аэренхиме и пневматофору они успешно заселяют субстраты, на которых другие организмы не могут расти.

Если страница Вам понравилась, поделитесь в социальных сетях:

10.Дыхание и фотосинтез (общее и различия).

Дыхание
– это процесс поглощения растениями
кислорода и выделение ими углекислого
газа;

Фотосинтез
– это процесс образования органических
веществ при использовании энергии
солнца, углекислого газа и воды, который
происходит в клетках зеленых растений.

Дыхание и фотосинтез
имеют одинаковые промежуточные продукты:
ФГК, ФГА, рибулоза, ПВК, ФЕП, малат и др.
Это говорит о возможности переключения
с одного процесса на другой. И дыхание,
и фотосинтез – это процессы и
окислительные, и восстановительные, и
распада, и синтеза. Обязательным
участником обоих процессов является
вода. При фотосинтезе она служит донором
водорода для восстановления НАДФ+, а
при дыхании окисление веществ может
происходить с помощью кислорода воды.

В чем же разница
между дыханием и фотосинтезом?

Дыхание – это
естественный процесс газообмена,
который растения, как все живые организмы,
осуществляют с внешней средой. Дыхание
происходит во всех органах растения.
Оно осуществляется через устьица,
чечевички и трещины в коре деревьев;
Процесс дыхания происходит в круглосуточном
режиме. Организацией дыхания заняты
специальные органеллы клетки –
митохондрии; Фотосинтез – это процесс,
который невозможен без солнечного
света, поэтому он происходит лишь в
светлое время суток или при наличии
запасенной растениями ранее энергии
нашей звезды. Фотосинтез может происходить
лишь в клетках растений, которые содержат
хлоропласты с пигментом хлорофиллом.
Традиционно фотосинтез происходит в
листьях, пока они зеленые, в стеблях, в
отдельных частях цветка, в плодах; В
процессе дыхания клетки растения
поглощают атмосферный кислород,
используя накопленные орган соед-я
(крахмал). При этом происходят расход,
трата, уничтожение орган в-ва. В результате
дыхания выделяется углекислота, которая
возвращается в атмосферу, и вода, которая
остается в середине живого организма;
В процессе фотосинтеза растение
поглощает углекислый газ и использует
накопленную воду. Под действием энергии
солнечных квантов происходит о-в-ая
реакция, результатом которой является
образование орган-х в-в (сахаров/крахмала)
и выделение кислорода.

Отличия: Дыхание
обеспечивает жизнь самого растения, а
выделенный кислород и накопленные в
результате фотосинтеза органические
вещества дают возможность существовать
на Земле гетеротрофным организмам;
Дыхание происходит в растениях постоянно,
а фотосинтез идет лишь под действием
солнечного света; В дыхании задействованы
все клетки растения, а в фотосинтезе –
лишь зеленые; При дыхании кислород
поглощается, а при фотосинтезе –
выделяется; В дыхании органические
вещества расщепляются, а при фотосинтезе
– синтезируются.

Определение
интенсивности дыхания зависит от t

Показатели
интенсивности дыхания прямо противоположны
показателям интенсивности фотосинтеза.
Интенсивность дыхания можно определить:

1) по кол-ву
выделенного С02; 2) по кол-ву поглощ
кислорода; 3) по убыли сухой массы. Все
эти три показателя рассчитываются на
единицу массы в единицу времени.

Фотосинтез и дыхание — Исследовательский и информационный центр фруктов и орехов

Обзор | Что такое дерево? | Фотосинтез и дыхание | Источники и приемники | Качество фруктов | Древовидная структура и захват света | привычка | Альтернативный подшипник | Рецензенты и авторы

Перехват света листьями приводит к фотосинтезу

Все организмы, животные и растения, должны получать энергию для поддержания основных биологических функций для выживания и размножения. Растения преобразуют энергию солнечного света в сахар в процессе, называемом фотосинтезом. Фотосинтез использует энергию света для преобразования молекул воды и углекислого газа в глюкозу (молекулу сахара) и кислород (рис. 2). Кислород высвобождается или «выдыхается» из листьев, в то время как энергия, содержащаяся в молекулах глюкозы, используется всем растением для роста, образования цветов и развития плодов.

Рисунок 2. Простое уравнение, описывающее молекулы, необходимые для фотосинтеза и его продуктов.

Рисунок 3. а) Поперечное сечение листа, показывающее клетки кутикулы, ксилемы, флоэмы и мезофилла. б) нижняя сторона листа (темные участки – устьица).

В листе есть несколько структур, играющих важную роль в перемещении питательных веществ и воды по растению. Каждое растение содержит разветвленную систему трубок, называемых 9.0013 ксилема , которая отвечает за перенос воды от корней (где она поглощается) к листьям (где она используется в фотосинтезе). Вода течет от корней, через ствол и ветви к листьям, где она используется в процессе фотосинтеза. Наряду с ксилемой находится еще одна система трубок, называемая флоэмой , которая транспортирует глюкозу, образующуюся при фотосинтезе, в ветви, плоды, ствол и корни дерева.

Концы транспортной системы ксилемы и флоэмы видны внутри каждой жилки листа (рис. 3). Структура ксилемы и флоэмы у растений аналогична артериям и венам у человека, по которым кровь движется к сердцу и легким и обратно.

Для получения дополнительной информации о структуре и функциях ксилемы и флоэмы просмотрите разделы «Ирригация» и «Подвои».

Листья содержат воду, которая необходима для преобразования энергии света в глюкозу посредством фотосинтеза. Листья имеют две структуры, которые минимизируют потерю воды: кутикулу и устьица. Кутикула представляет собой восковое покрытие на верхней и нижней части листьев, которое предотвращает испарение воды в атмосферу (рис. 3а).

Хотя кутикула обеспечивает важную защиту от чрезмерной потери воды, листья не могут быть непроницаемыми, поскольку они также должны пропускать углекислый газ (для использования в фотосинтезе) и выводить кислород. Эти газы входят в лист и выходят из него через отверстия на нижней стороне, называемые 9. 0013 устьица (рис. 3б). После того, как углекислый газ попадает в лист через устьица, он перемещается в клетки мезофилла, где происходит фотосинтез и образуется глюкоза.

Дыхание

Фотосинтез — это процесс, при котором растения используют световую энергию для преобразования углекислого газа и воды в сахара. Сахара, произведенные в результате фотосинтеза, могут храниться, транспортироваться по всему дереву и преобразовываться в энергию, которая используется для питания всех клеточных процессов. Дыхание происходит, когда глюкоза (сахар, образующийся в процессе фотосинтеза) соединяется с кислородом для производства полезной клеточной энергии. Эта энергия используется для питания роста и всех нормальных клеточных функций. Углекислый газ и вода образуются как побочные продукты дыхания (рис. 4).

Рисунок 4. Простое уравнение, описывающее молекулы, необходимые для дыхания и его продуктов.

  Дыхание происходит во всех живых клетках, включая листья и корни. Поскольку дыхание не требует световой энергии, его можно проводить ночью или днем. Однако для дыхания требуется кислород, который может быть проблематичным для корней, которые переувлажнены или в почвах с плохим дренажем. Если корни затоплены в течение длительного периода времени, они не могут поглощать кислород и преобразовывать глюкозу для поддержания клеточных метаболических процессов. В результате заболачивание и чрезмерное орошение могут лишить корни кислорода, убить корневую ткань, повредить деревья и снизить урожайность.

К началу страницы

Создание и разрушение: фотосинтез и клеточное дыхание

Опубликовано 02.12.20 Лаурой Снайдер

Фотосинтез и клеточное дыхание — два биохимических процесса, которые необходимы для большей части жизни на Земле. Оба эти процесса включают несколько сложных стадий и множество одних и тех же молекул — кислород (O ₂ ), двуокись углерода (CO ₂ ), вода (H ₂ O), глюкоза (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) и аденозинтрифосфат (АТФ).

Сегодня мы кратко рассмотрим основные этапы фотосинтеза и клеточного дыхания. Мы исследуем их сходства и различия, а также обсудим, как они взаимодействуют друг с другом, создавая «энергетический цикл» в живых организмах.

Что такое фотосинтез?

Большинство растений являются автотрофами, то есть они сами производят себе пищу. Фотосинтез — это процесс, который эти растения используют для синтеза молекул сахара из солнечного света, воды и углекислого газа. В процессе фотосинтеза растения выделяют кислород в качестве побочного продукта.

Вот основная химическая формула для фотосинтеза:

6CO ₂ + 6H ₂ O + Солнечный свет → C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂ 9005

Фотография. реакций, которые могут (но не должны) протекать одновременно: светозависимые реакции и светонезависимые реакции.

Посмотрите, как 3D-модели в Visible Biology могут помочь учащимся понять основы фотосинтеза: 

1. Светозависимые реакции

Светозависимые реакции составляют первые несколько стадий фотосинтеза. Эти реакции происходят в тилакоидных мембранах хлоропластов растительных клеток. Целью этой серии реакций является преобразование фотонов или световой энергии (от солнца) в химическую энергию. Во время светозависимых реакций растение поглощает солнечный свет, расщепляет молекулы воды, собирает запасающие энергию молекулы АТФ и НАДФН (восстановленная форма никотинамидадениндинуклеотидфосфата, или НАДФ+) и выделяет кислород в качестве побочного продукта.

Фотосинтез: светозависимые реакции

Светозависимые реакции фотосинтеза протекают примерно так. Солнечный свет попадает на молекулу хлорофилла в одной из мембран тилакоидов, возбуждая электрон, который покидает молекулу хлорофилла. Белки-переносчики перемещают этот электрон вдоль тилакоидной мембраны.

Хлорофилл — это пигмент — светоулавливающая молекула, которая поглощает солнечный свет. Хлорофилл можно найти в структурах, называемых тилакоидными мембранами, которые расположены внутри хлоропластов растительной клетки. Видите эти маленькие стопки внутри хлоропластов? Это стопки тилакоидов, называемые гранами (песн. granum).

Мембраны тилакоидов расположены в хлоропластах растительных клеток. Изображение из «Видимой биологии».

Молекула хлорофилла, в данном случае конкретно хлорофилл а, является частью комплекса, называемого фотосистемой II. Когда энергия солнечного света возбуждает электрон в хлорофилле а, достаточный для того, чтобы он ушел и был передан другой молекуле, этот уход оставляет за собой «энергетический вакуум». Этот вакуум достаточно мощный, чтобы фотосистема II расщепила молекулу воды, чтобы восстановить электрон. Люди не могут расщеплять воду в лаборатории так, как это делают растения, поэтому светозависимые реакции фотосинтеза поистине замечательны и уникальны!

Фотосистема II (выделена синим цветом), молекулы воды расщепляются, а электроны движутся к фотосистеме I. Изображение из Visible Biology.

Растения в основном получают воду из почвы. У сосудистых растений ткань, называемая ксилемой, переносит воду от корней к листьям (основному месту фотосинтеза).

Сосудистые ткани располагаются в центре корней двудольных растений. Изображение из «Видимой биологии».

Молекулы воды состоят из двух атомов водорода и одного атома кислорода. После распада молекулы воды ее ионы водорода используются для создания АТФ. Эти ионы водорода помогают ферменту под названием АТФ-синтаза добавить еще одну фосфатную группу к АДФ (аденозиндифосфату).

Атом кислорода из каждой разобранной молекулы воды соединяется с другим, образуя O ₂ (газообразный кислород), который высвобождается в виде отходов через отверстия в листьях, называемые устьицами.

Устьица можно найти на верхней и нижней поверхностях листьев однодольных растений. Изображение из «Видимой биологии».

Электрон, который двигался вдоль тилакоидной мембраны, в конце концов достигает другого хлорофиллсодержащего белкового комплекса, называемого фотосистемой I. В этот момент он объединяет усилия с другим возбужденным электроном. Фермент под названием НАДФ+ использует эти электроны и проходящий ион водорода для создания молекулы-носителя энергии НАДФН.

Фотосистема I выделена синим цветом. Кислород из расщепленных молекул воды выделяется в виде O ₂ . С помощью ионов водорода и электронов АДФ будет преобразован в АДФ и построен НАДФН. Изображение из «Видимой биологии».

После завершения светозависимых реакций энергия солнечного света успешно преобразуется в химическую энергию, которая будет использоваться на следующих этапах фотосинтеза — светонезависимых реакциях — для сборки молекул сахара.

2. Светонезависимые реакции (также известные как цикл Кальвина)

Следующая фаза фотосинтеза представляет собой ряд реакций, которые не требуют световой энергии солнца (фотонов). Поэтому их широко называют светонезависимыми реакциями или циклом Кальвина. (Старый термин «темновые» реакции может ввести в заблуждение, поскольку светонезависимые реакции не обязательно должны происходить в отсутствие света или ночью — они просто не подпитываются светом, как светозависимые реакции.)

Фотосинтез: светонезависимые реакции

Целью светонезависимых реакций является «фиксация» углерода из углекислого газа в форму, которую можно использовать для создания углеводов (сахаров), таких как глюкоза.

Фермент под названием RuBisCo объединяет молекулу двуокиси углерода с молекулой, называемой рибулозобифосфатом (RuBP), которая содержит пять атомов углерода. В результате образуется 6-углеродный интермедиат (карбоксилированный RuBP), который расщепляется на две 3-углеродные молекулы (3-фосфоглицерат).

С помощью АТФ и НАДФН каждая молекула 3-фосфоглицерата получает атом водорода, превращаясь в глицеральдегид-3-фосфат, или Г3Ф.

Две молекулы G3P используются для получения одной молекулы глюкозы (которая, если вы помните, имеет шесть атомов углерода). Как правило, в одном «экземпляре» цикла Кальвина одновременно используется шесть молекул углекислого газа, а это означает, что производится двенадцать молекул G3P. Два из них используются для производства молекулы глюкозы, а остальные перерабатываются обратно в RuBP, поэтому цикл может продолжаться.

Что такое клеточное дыхание?

Люди, как и другие животные, являются гетеротрофами. Мы не можем производить себе пищу с помощью фотосинтеза, поэтому нам приходится есть другие организмы, чтобы получать глюкозу, которая приводит в действие процесс клеточного дыхания в нашем организме. Клеточное дыхание — это процесс, который расщепляет глюкозу и производит АТФ (форма накопленной энергии, которую клетки используют для выполнения основных процессов).

Вот основная химическая формула клеточного дыхания:

C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂ → 6CO ₂ + 6H ₂ O + (приблизительно) 38 ATP

в организме, которые выполняют аэробические ячейки. клеточное дыхание, использующее кислород — в расщеплении глюкозы с образованием АТФ участвуют четыре основных этапа: гликолиз, окисление пирувата, цикл лимонной кислоты (цикл Кребса) и окислительное фосфорилирование. У нас есть более подробный пост в блоге, посвященный клеточному дыханию, но мы также кратко рассмотрим каждый этап аэробного клеточного дыхания в следующих разделах.

1. Гликолиз

Первая фаза клеточного дыхания, гликолиз, представляет собой начальный распад глюкозы до пирувата — одна молекула глюкозы дает две молекулы пирувата. Сам по себе гликолиз не генерирует много АТФ. Фактически, две молекулы АТФ необходимы для начала гликолиза. Что действительно важно в гликолизе при аэробном дыхании, так это то, что он обеспечивает материал, необходимый для следующего этапа клеточного дыхания: цикла лимонной кислоты, также известного как цикл Кребса.

Клеточное дыхание: гликолиз

Результаты гликолиза: 4 молекулы АТФ, 2 молекулы пирувата и 2 НАДН. Изображение из «Видимой биологии».

Примечание. Поскольку для гликолиза не требуется кислород, он также является частью анаэробного клеточного дыхания. Вы можете прочитать больше о метаболизме в отсутствие кислорода в этой главе из OpenStax Biology (2e).

Гликолиз происходит в цитоплазме животных и растительных клеток, тогда как последующие этапы клеточного дыхания происходят в митохондриях.

Цитоплазма содержит цитозоль, желеобразное вещество, заполняющее внутреннюю часть клетки. Изображение из «Видимой биологии».

2. Окисление пирувата

Прежде чем цикл лимонной кислоты может начаться всерьез, молекулы пирувата, образующиеся во время гликолиза, теряют свои карбоксильные группы и соединяются с коферментом А с образованием ацетил-КоА. Молекулы углерода, которые удаляются во время этого процесса, высвобождаются в виде углекислого газа.

3. Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса)

Цикл лимонной кислоты происходит дважды на одну молекулу глюкозы, расщепленную на предыдущей стадии — один «виток» цикла лимонной кислоты приходится на каждую молекулу ацетила -СоА.

Во время каждого из этих двух оборотов молекула ацетил-КоА проходит ряд химических реакций. Энергия этих реакций (в виде электронов) захватывается молекулами-«энергоносителями» НАДН и ФАДН ₂ . Также образуются еще две молекулы углекислого газа и еще одна молекула АТФ.

Клеточное дыхание: цикл лимонной кислоты

Результаты цикла лимонной кислоты: 2 АТФ, 6 НАДН, 2 ФАДН ₂ и 4 СО ₂ (отходы). Изображение из «Видимой биологии».

4. Окислительное фосфорилирование

Окислительное фосфорилирование, включающее электрон-транспортную цепь и хемиосмос, является частью аэробного клеточного дыхания, производящего большую часть АТФ. Цепь переноса электронов использует высокоэнергетические электроны от FADH 9.0061 2 и НАДН для перекачки ионов водорода (Н+) через внутреннюю мембрану митохондрии во внешнее отделение.

Митохондрии. Метка «мембрана» на этом изображении относится к внешней мембране. Внутренняя мембрана представляет собой желтую структуру, окружающую матрикс. Ознакомьтесь с другими моделями дополненной реальности на сайте Biology Learn.

Благодаря цепи переноса электронов на одной стороне мембраны находится больше положительно заряженных ионов, чем на другой. По мере того как эти ионы возвращаются через мембрану для восстановления равновесия, они проходят через (и «приводят в действие») фермент под названием АТФ-синтаза, который превращает молекулы АДФ в АТФ, добавляя третью фосфатную группу.

Клеточное дыхание: окислительное фосфорилирование

Результаты окислительного фосфорилирования. Столько АТФ, а еще немного воды (отходов)! Изображение из «Видимой биологии».

Как связаны фотосинтез и клеточное дыхание?

Когда я думаю о связи между фотосинтезом и клеточным дыханием, я не могу не начать петь в голове «Круг жизни» из «Короля Льва». Почему? Потому что продукты фотосинтеза необходимы для клеточного дыхания, а продукты клеточного дыхания могут быть использованы для питания фотосинтеза.

Помещение химических формул для этих процессов бок о бок показывает это довольно четко:

Фотосинтез: 6CO ₂ + 6H ₂ O + Sunlight arlight arlight arlight arlight arlight arlight arlight arlight arlight arlight arlight arlight arlight arlight arlight arlight arlight arlight arlight arlight arlight arlight arlight arlight ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂

Cellular Respressent: C

Resprings: C

.0004 ₆ H ₁₂ O ₂ + 6O ₂ → 6CO ₂ + 6H ₂ O + (приблизительно) 38* АТФ

*Количество образующихся молекул АТФ может варьироваться. 38 АТФ – теоретический максимальный выход при метаболизме одной молекулы глюкозы.

Пища, которую производят растения (глюкоза), и отходы производства этой пищи (O ₂ ) дают таким животным, как мы, материалы, необходимые для осуществления аэробного клеточного дыхания. Мы вдыхаем кислород из воздуха и едим либо растения, либо других животных — в любом случае растения и их восхитительная глюкоза лежат в основе нашей пищевой цепи. Взамен люди и другие организмы, осуществляющие аэробное дыхание, выбрасывают продукты жизнедеятельности этого процесса (в основном CO ₂ ) обратно в атмосферу.

Растения осуществляют как фотосинтез, так и клеточное дыхание. Они сами производят себе пищу, а затем расщепляют эти молекулы глюкозы, вырабатывая АТФ для питания своих клеточных процессов.

Забавный факт! Фотосинтез микроорганизмами, называемыми цианобактериями, — это то, что в первую очередь поставляет кислород в атмосферу Земли. Эти организмы впервые произвели кислород между 2,7 и 2,8 миллиарда лет назад, а кислород стал значительной частью атмосферы примерно 2,45 миллиарда лет назад. Это проложило путь к более поздней эволюции таких дышащих кислородом животных, как мы.

Прежде чем мы начнем, вот удобная таблица, сравнивающая фотосинтез и аэробное клеточное дыхание. Удачной учебы!

	Фотосинтез	Клеточное дыхание (аэробное)
Химическое уравнение	6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2	C 6 H 12 O 2 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 О + (приблизительно) 38 АТФ
Ввод	Углекислый газ, вода, солнечный свет	Глюкоза, кислород
Ступени	1. Светозависимые реакции 2. Светонезависимые реакции (цикл Кальвина)	1. Гликолиз 2. Окисление пирувата 3. Цикл лимонной кислоты 4. Окислительное фосфорилирование
Выход	Глюкоза, кислород	АТФ, углекислый газ, вода
Ассоциированная органелла	Хлоропласты	Митохондрии
Функция для организма	Использование света, воды и углекислого газа для создания пищи для организма в виде сахара (глюкозы)	Использование глюкозы для получения энергии, которую организм может использовать в клеточных процессах (АТФ)

Обязательно подпишитесь на  Visible Body  Блог, чтобы узнать больше об анатомии!

Вы инструктор? У нас есть отмеченные наградами 3D-продукты и ресурсы для вашего курса анатомии и физиологии! Узнайте больше здесь.