Фотосинтез в растениях происходит в: Где происходит фотосинтез?

О возможности существования фотосинтеза в семенах. Магомедов И.М.

Магомедов Исхан Магомедович — доктор биологических наук, профессор. ООО «Амарант Про». г. Санкт-Петербург.

Аннотация. В обзоре [1] авторы утверждают, что в семенах происходит фотосинтез. Из школьных и университетских учебников известно, что фотосинтез-это процесс усвоения углекислого газа из внешней атмосферы с образованием нового органического вещества, при этом выделяется кислород. Для этого используется энергия солнечного света. Это аксиома! Доказано, что существуют различные виды фотосинтеза: бактериальный фотосинтез, фотосинтез растений С₃, фотосинтез растений С₄, фотосинтез растений С₃ /₄, САМ метаболизм. Авторы данного обзора утверждают, что в семенах также происходит фотосинтез. Однако в обзоре нет экспериментальных данных фотосинтеза в семенах. Известно, что существует 2 вида фиксации углекислого газа: фототрофных и гетеротрофных Авторы обзора делают вывод, что источником фотосинтеза семян служит углекислый газ дыхания, который образуется при распаде сахарозы. До сих пор эта реакция называлась гетеротрофной фиксацией углекислого газа внутри семени с образованием органических кислот и аминокислот. Нет никаких доказательств существования цикла C₃ и пути C₄. Поэтому нет оснований утверждать, что фотосинтез осуществляется в семенах. Этот тезис противоречит базовой формуле фотосинтеза и в семенах происходит реассимиляция углекислоты дыхания.

Ключевые слова. Семена, фотосинтез, гетеротрофная фиксация, углекислота.

Как известно, для осуществления фотосинтеза необходим свободный доступ углекислоты из наружной среды, для которого в семенах отсутствуют необходимые анатомические приспособления, поэтому уже эти факты свидетельствуют о невозможности доступа углекислоты из воздуха. Классическая формула фотосинтеза заключается в преобразовании и запасании солнечной энергии, в результате чего из углекислоты и воды синтезируются углеводы, и выделяется кислород. Следовательно, углекислота – главный субстрат фотосинтеза, который поступает из внешней среды: CO₂ + H₂O =1/6(C₆H₁₂O₆) + O₂ + 114 ккал/моль. Как известно, основной механизм ассимиляции углекислоты растениями происходит при участии фермента рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы-оксигеназы (РБФК/О), который присоединяет СО₂ к Р5Ф с образованием двух молекул 3 -ФГК. Такой механизм фотосинтеза характерен для С₃-растений[2]. Однако при высоких температурах и низкой концентрации СО₂ РБФК/О вместо углекислого газа присоединяет кислород к Р5Ф, что приводит к образованию гликолевой кислоты, которая включается в процесс фотодыхания. В ходе эволюции, особенно в аридных условиях, помимо приспособлений для экономного расходования воды возникли новые способы поступления и концентрирования углекислоты. В этих растениях первичное карбоксилирование происходит при участи ФЕП-карбоксилазы, которая играет ключевую роль в фиксации СО₂ в виде бикарбонат-аниона, соединяя его с ФЕП для создания оксалоацетата в мезофилле (вне хлоропласта). Затем оксалацетат превращается в яблочную кислоту ( С₄-соединение), Благодаря ей другой путь фотосинтеза получил название С₄-пути. С₄ -кислота транспортируется в клетку обкладки проводящего пучка, где и декарбоксиоируется с выделением СО₂. Углекислый газ фиксируется РБФК/О в цикле Кальвина. Пируват превращается обратно в ФЕП в клетках мезофилла, и цикл начинается снова. Таким образом, происходит активное концентрирование СО₂ в хлоропластах клеток обкладки проводящего пучка. В фотосинтезе С₄ — растений, ведущая роль в усвоении углекислоты принадлежит фосфоенолпируват-карбоксилазе, (ФЕП-карбоксилаза) которая имеет высокое сродство к углекислоте.

Другая ФЕП-карбоксилаза принимает участие еще в одной разновидности фотосинтеза — в САМ-метаболизме (красуляциевый тип метаболизма). Этот метаболический путь распространен у растений, живущих в засушливых местообитаниях. В течение жаркого дня растения вынуждены закрывать устьица для экономии потери воды в процессе транспирации. Устьица открываются только ночью, когда транспирация воды минимальна, но появляется возможность поступления через них углекислоты из воздуха, которая связывается при участии ФЕП-карбоксилы с образованием оксалоацетата. Оксалоацетат затем превращается в малат с помощью фермента НАДФ- малатдегедрогеназы и запасается в вакуоле. С наступлением светового периода, малат декарбоксилируется с участием малик-энзима и выделившаяся углекислота включается в цикл Кальвина.

Кроме этих двух ФЕП-карбоксилаз, функционирующих в С₄ и САМ — растениях существуют и другие, которые участвует в гетеротрофной фиксации углекислоты. Впервые гетеротрофная фиксация СО₂ была обнаружена в 1936 г. Вудом и Веркманом[2]. Одна из них катализирует реакцию карбоксилирования пировиноградной кислоты (ПВК), приводящую к образованию щавелево-уксусной кислоты (ЩУК). Позднее было показано, что реакция карбоксилирования ПВК имеет место у всех гетеротрофных прокариот, а также у эукариот, включая высшие растения и животные. Гетеротрофная фиксация углекислоты с помощью ФЕП-карбоксилазы происходит в начальный период развития листа [3]. Ее роль не фотосинтетическая, а аноплеротическая, которая заключается в обеспечении пополнения интермедиатов, необходимых для функционирования цикла Кребса и получения затем субстратов, необходимых для функционирования вторичного метаболизма. Таким образом, гетеротрофная фиксация углекислоты, характерная для нефотосинтезирущих тканей, не имеет никакого отношения к фотосинтезу и не сопровождается запасанием энергии солнечного света. Настолько подробное описание нами здесь способов фиксации углекислоты оказалось необходимым для того, чтобы показать, что в обзоре о фотосинтезе семян авторы приняли за фотосинтез семян именно подобные реакции.

Никаких доказательств в пользу функционирования фотосинтеза в семенах не приводится! Основанием для своих утверждений, авторы считают наличие в молодых семенах зеленых пигментов и функционирование некоторых фотохимических реакций. О существовании зеленых пигментов в семенах известно давно. Но никто не считал это доказательством функционирования фотосинтеза в семенах. Отдельные фотохимические реакции могут играть защитную функцию в клетке. Д.б.н. Воронин П.Ю.(личное сообщение) утверждает, что тотипотентность клеток дает возможность функционированию фотосинтеза в семенах. Однако для реализации этой возможности нужны соответствующие условия и субстраты в таких количествах, чтобы была реализована генетическая программа для усвоения углекислоты из внешней среды и запасание энергии. Такие условия в семенах отсутствуют. Авторы и рецензенты, видимо, настолько безответственно отнеслись к «открытию фотосинтеза» в семенах, что посчитали возможным рекомендовать данную статью в печать.

Вероятно, они не понимают сути фотосинтеза, и отличия фототрофии от гетеротрофии. Для того чтобы утверждать о существовании фотосинтеза в семенах, исследователям необходимо было бы провести опыты, поместив семена в атмосферу ¹⁴СО₂ на свету и в темноте и идентифицировать первичные продукты фиксации углекислоты. Кроме того, обязательным было бы определение скорости фотосинтеза и гетеротрофной фиксации углекислоты в семенах, установление Км РуБИСКо и ФЕП-карбоксилазы в семенах, вычисление количества запасаемой энергии в семенах. Никаких подобных доказательств авторы не приводят. Основываются они лишь только на собственных умозаключениях и на опытах с пигментами, а известные данные о реассимиляции углекислоты, образуемой при дыхании в семенах, называют фотосинтезом. Понятно, что для современной научной статьи этого явно недостаточно. Поэтому такая публикация обзора в уважаемом журнале, поддержанная финансовыми фондами, вызывает, по меньшей мере, удивление. На кафедре физиологии и биохимии растений СПбГУ со дня ее основания занимались исследованием различных аспектов фотосинтеза наземных растений и водорослей и эти результаты известны широкой научной общественности[4]. Однако, работа по так называемому «открытию процесса фотосинтеза семян» бросает тень на достижения сотрудников кафедры, трудившихся над этой проблемой более 150 лет. Редакция журнала «Физиология растений», опубликовав эти «достижения» сотрудников кафедры ФБР СПбГУ ( Медведев С.С. и Смоликова Г.Н.), распространяет недоказанные и необоснованные научные достижения о несуществующем фотосинтезе семян!

Заключение.

До сих пор было известно, что существуют различные типы фотосинтеза: бактериальный фотосинтез, фотосинтез С₃-растений, фотосинтез С₄ растений, фотосинтез С₃/С₄ растений, фотосинтез САМ растений, а по данным сотрудников СПбГУ(Медведев С. С. и Смоликова Г.Н.) — еще и фотосинтез семян! Как указано выше, достоверные доказательства этого процесса в обзоре отсутствуют. Больше того, это утверждение противоречить главной формуле фотосинтеза.

Выводы.

1. Авторы обзора называют гетеротрофную фиксацию углекислоты фотосинтезом семян, что противоречит классической формуле фотосинтеза, а именно: фотосинтез — процесс поглощения углекислоты из внешней среды и образование нового органического вещества, при запасании солнечной энергии. В семенах эти процессы отсутствуют. 2. Гетеротрофная фиксация углекислоты, которая имеет место в семенах, обеспечивает вторичный метаболизм при участии ФЕП-карбоксилазы для пополнения пула интермедиатов цикл Кребса. Образовавшиеся соединения используются при синтезе новых метаболитов в семенах для выполнения репродуктивной функции.

Список литературы.

1. Смоликова Г.Н., Медведев С.С. Фотосинтез в семенах хлорэмбрифитов. Физиология растений. 2016.Т.63,№ 1,г., С.3-16
2. Эдвардс Дж. ,Уокер Д. Фотосинтез С₃— и С₄ -растений: механизмы регуляция. М. Мир.1986. 590 с
3. Мокроносов, А. Т. Онтогенетический аспект фотосинтеза . М. Наука, 1981. 196 с.
4. Магомедов И.М. Развития исследований фотосинтеза на кафедре физиологии и биохимии растений ЛГУ-СПбГУ в течение 150 лет. // Научное обозрение. Фундаментальные и прикладные исследования. – 2019. – № 2; URL: http://www.scientificreview.ru/article/view?id=61 (дата обращения: 17.04.2019).

Искусственный фотосинтез. Перспективы и проблемы / Хабр

Зеленая энергетика не сходит с веб-страниц и из всевозможных заголовков. «Зеленый» уже давно понимается как «экологически благоприятный», но здесь напрашивается две важные оговорки:

1. Далеко не все методы «зеленой энергетики» так уж безвредны для окружающей среды. Например, ячейки солнечных панелей и лопасти ветряков необходимо утилизировать уже через пару десятков лет эксплуатации

2. По-настоящему зеленую энергетику могли бы обеспечить зеленые растения, которые и являются первичными накопителями солнечной энергии.

Как ни странно, мы до сих пор не умеем в промышленных масштабах воспроизводить фотосинтез. Фотосинтез является одним из основных процессов в жизнедеятельности зеленых растений. При фотосинтезе углекислый газ и вода расщепляются в листьях, вернее, в хлоропластах – клеточных органеллах, содержащих зеленый пигмент хлорофилл. По строению хлорофилл близок к гему – небелковой части гемоглобина.

Хлорофилл решает две задачи, особенно важные для современной экологии: 1) расщепляет углекислый газ, помогая таким образом купировать глобальное потепление и 2) позволяет получать водород, являющийся одним из наиболее экологически чистых видов топлива.

Естественный фотосинтез, будучи продуктом биологической эволюции, не отличается эффективностью. Его КПД составляет всего 1-2%, чего вполне хватает для поддержки медленного жизненного цикла растений. Атом магния, хорошо заметный в вышеприведенной формуле, играет роль катализатора. Но растения используют в таком качестве магний, так как биологическая эволюция использует в основном легкие металлы, один из них – магний (12-й элемент). Оптимизируя фотосинтез, нам следовало бы изобрести искусственные листья, а также повысить эффективность самого процесса. Для этого нужно было бы заменить магний другими катализаторами – металлами, способными его заменить, а значит, схожими с магнием в соответствии с периодическим законом.

Кроме того, нам нужно было бы создать искусственные листья и искусственные хлоропласты, которые улавливали бы солнечный свет лучше естественных, а также производили бы именно энергию, а не белки и углеводы, необходимые для жизнедеятельности растений. Наконец, особенно интересно было бы использовать солнечный свет для получения более сложной органики, нежели растительных углеводов.

Давайте об этом поговорим.

Биохимия фотосинтеза

Высшие растения, бактерии и водоросли преобразуют солнечную энергию в углеводы и углеводороды. Но растения не подходят для крупномасштабного производства топлива на основе солнечной энергии, так как задействуют сложную цепочку биохимических реакций, позволяющих преобразовать CO2 в конечный продукт. КПД растений слишком низок, чтобы они могли играть роль серьезного энергетического ресурса. Эффективность растений обычно зависит не только от освещенности, но и от других экологических факторов, в том числе, от доступности  CO2, воды и питательных веществ.

Фотосинтез протекает в четыре этапа:

 Сбор света. На данном этапе происходит поглощение и накопление электромагнитного излучения  антенными молекулами (прежде всего хлорофиллом, но также и каротином). Эти молекулы сосредоточены в виде белковых комплексов или органелл и служат для концентрации захваченной энергии в «реакционных центрах».

Разделение зарядов. В реакционном центре (так называемой фотосистеме — II) происходит разделение зарядов: молекула хлорофилла испускает электрон (отрицательно заряженную частицу), на месте электрона остается положительно заряженная «дырка». Таким образом, энергия солнечного света применяется для разграничения положительных и отрицательных зарядов.

Расщепление воды. На третьем этапе собирается множество положительных зарядов, которые идут на расщепление молекул воды: получаются ионы водорода и кислород. Расщепление воды происходит в отдельном отсеке клетки, а не там, где проходит этап разделения зарядов; на достаточном удалении, чтобы предотвратить потерю заряда при поступлении нового фотона, но достаточно близко, чтобы положительный заряд эффективно накапливался и затем использовался для катализа.

Синтез топлива. Электроны, полученные при разделении зарядов, подхватываются цитохромом  b6f и маленькими мобильными переносчиками и транспортируются в еще один белковый комплекс, фотосистему I. В фотосистему I поступает дополнительная энергия, которую также приносят солнечные фотоны, и с ними также идет химическая реакция, в результате которой получаются углеводороды.

Немного простой химии.

Расщепление воды на кислород и водород:

Образовавшиеся протоны идут на синтез углеводов.

Реакция фотосинтеза в общем виде

Итак, для организации и последующей оптимизации фотосинтеза нам нужно превратить двухступенчатую реакцию в одноступенчатую, а также избавиться от выращивания листьев.

История

Процесс искусственного фотосинтеза in vitro, без участия листьев, был впервые осуществлен в 1972 году в Токийском университете. Кеничи Хонда и его аспирант Акира Фудзисима сообщили о том, что смогли смоделировать фотосинтез, подавая свет на электрод из диоксида титана, погруженный в воду. Электроны под действием света покидали металл, оставляя на своем месте положительно заряженные дырки, куда затем захватывались электроны из окружающей воды. Хонда и Фудзисима продемонстрировали, что таким образом получение кислорода катализировалось на фотоаноде, а свободный водород скапливался на платиновом катоде. Так впервые удалось разложить воду на составляющие при помощи светочувствительного элемента.

В 1998 году Джон Тёрнер и Оскар Хаселев из Национальной лаборатории возобновляемой энергетики из штата Колорадо разработали первый «искусственный лист»: интегрированное фотоэлектрическое устройство, позволяющее расщеплять воду, получая на вход в качестве энергии свет и ничего более. В результате КПД при производстве водорода достиг целых 12,4%, но материалы для поддержки реакции оказались очень дорогими: в состав устройства входил полупроводник на основе галлий-индиевого фосфида, а также платина в качестве катализатора.  

Далее предпринимались усилия по удешевлению такого фотоэлектрического элемента, и в 2011 году группа Дэвида Носеры из Массачусетского технологического института представила беспроводное устройство для расщепления воды, в котором электроды изготавливались с применением сравнительно дешевых индия и олова, а вода была буферизована ионами кобальта.

Впрочем, неорганические фотосинтезирующие устройства вряд ли способны конкурировать с традиционными солнечными батареями в качестве источника энергии, а сами быстро выходят из строя по причине коррозии, связанной с резким увеличением уровня pH, возникающем при их работе. Неорганические фотосинтезирующие элементы в целом близки к пределу производительности. Устройство, разработанное в 2018 году специалистами из технического университета Ильменау и Калифорнийского технологического института, работает на основе диоксида титана. В нем предусмотрена дополнительная защита от коррозии, оно работает на протяжении 20 часов и достигает КПД 19%.   

 Вместо неорганических полупроводниковых сборок также пытаются синтезировать органические молекулы, для которых характерна высокая стабильность при нахождении в растворе. Кроме того, конфигурацию органической молекулы удобно целенаправленно корректировать, чтобы она улавливала свет как можно лучше. Но чисто органические молекулы такого рода плохо переносят воздействие солнечного света и быстро распадаются под воздействием лучей. По-видимому, наиболее перспективный подход – встраивать молекулу хлорофилла в неорганическую катализирующую оправку.

Рубиско или как ускорить фотосинтез

За катализ биохимических процессов в клетке отвечают разнообразные ферменты. Некоторые жизненно важные реакции без участия ферментов попросту не идут. Одним из древнейших, важнейших и при этом наиболее громоздких ферментов является рибулозобисфосфаткарбоксилаза, сокращенно — рубиско.

Вот такая монструозная молекула направляет реакцию фотосинтеза – делая это исправно, но очень медленно. Кстати, сам рубиско использует в качестве катализатора тот самый атом магния, что входит в состав молекулы хлорофилла, показанной выше. Каждая молекула рубиско успевает обработать 1-3 молекулы углекислого газа в секунду, что, конечно же, очень медленно. Более того, рубиско потребляет на собственную работу и часть кислорода, образующегося в результате фотосинтеза, что приводит к фотодыханию.

В целом рубиско пока почти не поддается генной инженерии. Дело в том, что хлоропласты когда-то сами были простейшими, а около 3,5 миллиардов лет назад были захвачены клетками цианобактерий, где превратились сначала в симбионтов, затем в паразитов, а еще позже в обычные органеллы. Но у хлоропластов есть остаток собственного генома, и работа рубиско кодируется как генами растения, так и генами хлоропластов. Растения повышают эффективность фотосинтеза, попросту до отказа набивая свои хлоропласты рубиско. Только в прошлом году китайским ученым удалось навязать растениям более эффективный подход. В одноклеточную водоросль хлореллу внедрили специальный полимер, который активизирует в хлоропластах захват фотонов. Когда рубиско получает больше фотонов, как эффективность, так и скорость его работы улучшается примерно в полтора раза, но и это весьма скромный успех. Вполне возможно, что эти опыты попросту предвосхищают биологическую эволюцию: есть данные, что из-за повышения содержания CO₂ в атмосфере фотосинтез у растений начинает идти быстрее.

На этой иллюстрации, взятой с сайта «Naked Science», показано, как с повышением температуры меняется темп фиксации углерода (слева) и выделения углекислого газа (справа).

Очевидный недостаток фотосинтеза заключается в том, что хлоропласты извлекают энергию лишь из сравнительно узкой (зеленой) части спектра.

Упоминавшийся выше диоксид титана также поглощает фотоны именно в «зеленой» части спектра. Но фотосинтезирующие свойства фотоэлектрического элемента можно улучшить, задействовав в нем другие материалы, в частности, кремний, улавливающий свет в области спектра примерно до 1100 нм. Для максимально полного использования спектра ведутся эксперименты по включению в фотоэлектрические элементы других металлосодержащих соединений: оксида цинка ZnO, оксида железа Fe₂O₃, висмут-ванадиевого соединения с кислородом BiVO₄, нитрида тантала Ta₃N₅ и некоторых других.

Фотосинтез и солнечная энергетика

Из вышеизложенного напрашиваются следующие выводы. В настоящее время фотоэлектрические элементы, действующие в водяной среде, работоспособны, но явно несовершенны. Масштабное производство ячеек для искусственного фотосинтеза, которые могли бы послужить конкурентоспособным источником возобновляемой энергии – в лучшем случае дело будущего. Но искусственный фотосинтез все-таки вполне эффективен в качестве инструмента для связывания атмосферного углерода, и при этом дает стабильный поток заряженных частиц (протонов и электронов).

Таким образом, фотосинтезирующие элементы можно было бы сочетать с солнечными батареями — например, уже сегодня устанавливаемыми на крышах частных домов в США. Солнечная батарея могла бы отдавать часть получаемой энергии на электролиз. В таком случае подключенные к ней фотоэлектрические элементы участвовали бы в связывании углекислого газа и расщеплении воды с получением водорода, который, в свою очередь, является экологически чистым топливом.

Развитие катализаторов для таких процессов позволило бы не ограничиваться воспроизведением обычного фотосинтеза, а синтезировать, например, белки или ферменты. Мы уже научились масштабировать солнечные батареи, поэтому могли бы вместе с ними масштабировать и фотоэлектрические элементы. Наконец, подобные технологии могли бы поспособствовать разложению токсичных отходов или пластика, давая на выходе водород и энергию.

Заключение

Изложенные возможности являются во многом гипотетическими, но вполне реализуемыми, так как основаны на модели, отточенной в зеленых растениях более чем за миллиард лет. Мне они представляются значительно более интересными, чем луддистские по сути и практически невыполнимые призывы «снизить количество парниковых выбросов», «отказаться от авиаперелетов» или «застроить прибрежные области ветрофермами». Избыток углекислого газа должен превратиться из проблемы в ресурс, а переход на водородную энергетику стать максимально безболезненным. Возможно, ключ ко всем этим решениям – в освоении и доработке искусственного фотосинтеза.

Где происходит фотосинтез?

Фотосинтез — это световой ключ к разблокировке роста и качества растений.

Этот процесс, посредством которого все растения преобразуют энергию света в химическую энергию, которая затем используется для управления различными метаболическими процессами, имеет решающее значение для успеха урожая, и без надлежащего уровня света растения могут желтеть, свисать, сбрасывать листья или не расти правильно.

Для производителей очень важно обеспечить идеальное управление освещением, чтобы избежать проблем, которые может вызвать плохой фотосинтез. Это делает относительно важным понимание того, где происходит фотосинтез, чтобы вы могли инвестировать в правильные источники света и обеспечить их правильное размещение.

Фотосинтез: основы

Основными клеточными структурами, обеспечивающими фотосинтез, являются хлоропласты, тилакоиды и хлорофилл. Фотосинтез происходит внутри хлоропластов, расположенных в мезофилле листьев. Тилакоиды находятся внутри хлоропласта и содержат хлорофилл, который поглощает различные цвета светового спектра для создания энергии (Источник: Биология: LibreTexts ). Теперь все становится интереснее — влияние различных длин волн света на фотосинтез.

Фотосинтез в цифрах .

Поверхность листа поглощает синие и красные волны, а зеленый свет поглощается глубже внутри растения. Этот свет поглощается хлоропластами и наиболее эффективен в фотосинтезе и преобразовании энергии. Все видимые длины волн в той или иной степени поглощаются листом, но наиболее важными для фотосинтеза являются красный, синий и зеленый цвета. Световой спектр, используемый растениями, известен как Фотосинтетическое активное излучение (PAR), которое определяет световой спектр, а также уровни солнечного излучения в диапазоне от 400 до 700 нм.

Фотосинтез: внутри

Фотосинтез в основном происходит в листьях, в меньшей степени в стеблях, и имеет как независимый, так и зависимый от света процесс. Светозависимый процесс берет свет, который был поглощен тилакоидами, и превращает его в химическую энергию, которая затем используется для превращения CO2, поглощенного листьями, в углеводы, которые образуют независимую от света часть процесса. Весь цикл, известный как Цикл Кальвина создает побочные продукты глюкозы и кислорода, первый из которых используется растением, а второй выбрасывается в атмосферу.

Чтобы обеспечить оптимизацию фотосинтеза, сельхозпроизводителям необходимо вкладывать средства в лампы, излучающие PAR-излучение нужного уровня с нужной интенсивностью, что означает, что они должны работать с лампами для выращивания, предназначенными для получения правильного цветового спектра и которые правильно размещены. Важно отметить, что растения могут быть повреждены, если интенсивность света слишком высока — фотосинтез происходит на заданном уровне, после определенного момента он выравнивается или уменьшается, что означает, что дополнительное освещение не обязательно ускорит процесс и может негативно повлиять на здоровье растений.

Помимо учета интенсивности и качества света, вам необходимо сбалансировать время освещения, чтобы растение получало смесь «дневного» и «ночного» света, а также температуру в помещении для выращивания. Растениям необходимо пройти процесс фотопериодизма, чтобы зацвести или достичь определенных стадий цикла роста, и они не могут расти в слишком жарких или слишком холодных условиях.

Стоит работать с компанией, которая понимает полное влияние освещения для выращивания на ваши растения и может помочь вам реализовать схему и дизайн освещения для выращивания, учитывающие все эти факторы. Light Science Technologies обладает глубоким пониманием технологии, науки и того, как помочь вам в достижении правильного света, тепла и расстояния, чтобы ваши растения могли фотосинтезировать и расти.

Что такое фотосинтез? | Живая наука

Фотосинтез поглощает углекислый газ, вырабатываемый всеми дышащими организмами, и вновь поставляет кислород в атмосферу.
(Изображение предоставлено: KPG_Payless | Shutterstock)

Фотосинтез — это процесс, используемый растениями, водорослями и некоторыми бактериями для преобразования солнечного света в энергию. Этот процесс химически превращает углекислый газ (CO2) и воду в пищу (сахара) и кислород. Химическая реакция часто зависит от пигмента, называемого хлорофиллом, который придает растениям их зеленый цвет. Фотосинтез также является причиной того, что наша планета покрыта богатой кислородом атмосферой.

Типы фотосинтетических процессов

Различают два типа фотосинтеза: оксигенный и аноксигенный. Оба они следуют очень схожим принципам, но первый из них наиболее распространен и встречается у растений, водорослей и цианобактерий.

Во время оксигенного фотосинтеза световая энергия переносит электроны из воды (h3O), поглощаемой корнями растений, в CO2 для производства углеводов. При этом переносе СО2 «восстанавливается» или получает электроны, а вода «окисляется» или теряет электроны. Кислород вырабатывается вместе с углеводами.

Этот процесс создает баланс на Земле, при котором углекислый газ, вырабатываемый дышащими организмами, когда они потребляют кислород при дыхании, снова превращается в кислород растениями, водорослями и бактериями.

Аноксигенный фотосинтез, тем временем, использует доноры электронов, которые не являются водой, и процесс не генерирует кислород, согласно «Аноксигенным фотосинтетическим бактериям» LibreTexts (открывается в новой вкладке). Этот процесс обычно происходит в бактериях, таких как зеленые серные бактерии и фототрофные пурпурные бактерии.

Уравнение фотосинтеза

Хотя оба типа фотосинтеза являются сложными, многоэтапными процессами, общий процесс можно четко представить в виде химического уравнения.

Уравнение оксигенного фотосинтеза: 

6CO2 + 12h3O + энергия света → C6h22O6 + 6O2 + 6h3O

Здесь шесть молекул углекислого газа (CO2) объединяются с 12 молекулами воды (h3O) с использованием энергии света. Конечным результатом является образование одной молекулы углевода (C6h22O6 или глюкозы) вместе с шестью молекулами кислорода и воды.

Подобным образом различные аноксигенные реакции фотосинтеза можно представить в виде единой обобщенной формулы:

CO2 + 2h3A + Энергия света → [Ch3O] + 2A + h3O

Буква A в уравнении является переменной, а h3A представляет собой потенциальный донор электронов. Например, «A» может представлять серу в доноре электронов сероводороде (h3S), согласно новостному сайту медицинских и медико-биологических наук News Medical Life Sciences .

Как происходит обмен углекислого газа и кислорода?

Устьица являются привратниками листа, обеспечивая газообмен между листом и окружающим воздухом. (Изображение предоставлено: Waldo Nell / 500px через Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

Растения поглощают CO2 из окружающего воздуха и выделяют воду и кислород через микроскопические поры на своих листьях, называемые устьицами.

Когда устьица открываются, они пропускают CO2; однако, когда они открыты, устьица выделяют кислород и пропускают водяной пар. Устьица закрываются, чтобы предотвратить потерю воды, но это означает, что растение больше не может получать CO2 для фотосинтеза. Этот компромисс между поступлением CO2 и потерей воды представляет собой особую проблему для растений, растущих в жарких и сухих условиях.

Как растения поглощают солнечный свет для фотосинтеза?

Растения содержат специальные пигменты, поглощающие световую энергию, необходимую для фотосинтеза.

Хлорофилл является основным пигментом, используемым для фотосинтеза, и придает растениям зеленый цвет, согласно данным научно-образовательного сайта Nature Education . Хлорофилл поглощает красный и синий свет и отражает зеленый свет. Хлорофилл — это большая молекула, для производства которой требуется много ресурсов; как таковой, он разрушается к концу жизни листа, и большая часть азота пигмента (один из строительных блоков хлорофилла) резорбируется обратно в растение. Когда листья теряют хлорофилл осенью, другие пигменты листьев, такие как начинают проявляться каротиноиды и антоцианы. В то время как каротиноиды в основном поглощают синий свет и отражают желтый, антоцианы поглощают сине-зеленый свет и отражают красный свет, согласно Гарвардскому лесу Гарвардского университета.

Молекулы пигмента связаны с белками, что позволяет им гибко двигаться к свету и друг к другу. Согласно статье Вима Вермааса , профессора Аризонского государственного университета, большая коллекция из 100–5000 молекул пигмента образует «антенну». Эти структуры эффективно улавливают световую энергию солнца в виде фотонов.

Ситуация с бактериями несколько иная. В то время как цианобактерии содержат хлорофилл, другие бактерии, например пурпурные бактерии и зеленые серные бактерии, содержат бактериохлорофилл для поглощения света для аноксигенного фотосинтеза, согласно «Микробиологии для чайников (открывается в новой вкладке)» (For Dummies, 2019).).

Родственный: Что, если бы у людей была фотосинтезирующая кожа?

Где в растении происходит фотосинтез?

Для фотосинтеза растениям нужна энергия солнечного света. (Изображение предоставлено Shutterstock)

Фотосинтез происходит в хлоропластах, типе пластид (органелл с мембраной), которые содержат хлорофилл и в основном находятся в листьях растений.

Хлоропласты похожи на митохондрии, энергетические центры клеток, в том, что они имеют свой собственный геном или набор генов, содержащихся в кольцевой ДНК. Эти гены кодируют белки , необходимые для органеллы и фотосинтеза.

Внутри хлоропластов находятся пластинчатые структуры, называемые тилакоидами, которые отвечают за сбор фотонов света для фотосинтеза, согласно терминологическому веб-сайту Biology Online (открывается в новой вкладке). Тилакоиды уложены друг на друга столбцами, известными как граны. Между гранами находится строма — жидкость, содержащая ферменты, молекулы и ионы, где происходит образование сахара.

В конечном счете, световая энергия должна быть передана пигментно-белковому комплексу, который может преобразовывать ее в химическую энергию в виде электронов. В растениях световая энергия передается пигментам хлорофилла. Преобразование в химическую энергию происходит, когда пигмент хлорофилла выбрасывает электрон, который затем может перейти к соответствующему реципиенту.

Пигменты и белки, которые преобразуют энергию света в химическую энергию и начинают процесс переноса электронов, известны как реакционные центры.

Светозависимые реакции

Когда фотон света попадает в реакционный центр, молекула пигмента, такая как хлорофилл, высвобождает электрон.

Высвобожденный электрон ускользает через серию белковых комплексов, связанных вместе, известных как цепь переноса электронов. Двигаясь по цепи, он вырабатывает энергию для производства АТФ (аденозинтрифосфата, источника химической энергии для клеток) и НАДФН, которые необходимы на следующем этапе фотосинтеза в цикле Кальвина. «Электронная дыра» в исходном пигменте хлорофилла заполняется за счет взятия электрона из воды. Это расщепление молекул воды высвобождает кислород в атмосферу.

Светонезависимые реакции: цикл Кальвина

Фотосинтез включает процесс, называемый циклом Кальвина, в котором используется энергия, запасенная в результате светозависимых реакций, для связывания CO2 в сахара, необходимые для роста растений. (Изображение предоставлено: Нагендра Ядав через Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

Цикл Кальвина — это трехэтапный процесс, в ходе которого вырабатывается сахар для растений, и он назван в честь Мелвина Кальвина (открывается в новой вкладке), лауреата Нобелевской премии. Отмеченный наградами ученый, открывший его несколько десятилетий назад. Цикл Кальвина использует АТФ и НАДФН, образующиеся в хлорофилле, для производства углеводов. Занимает пластинку в строме растений, внутреннее пространство в хлоропластах.

На первом этапе этого цикла, называемом фиксацией углерода, фермент RuBP-карбоксилаза/оксигеназа, также известный как rubiso, помогает включить CO2 в органическую молекулу, называемую 3-фосфоглицериновой кислотой (3-PGA). В процессе он разрывает фосфатную группу на шести молекулах АТФ, чтобы преобразовать их в АДФ, высвобождая при этом энергию, согласно LibreTexts.

На втором этапе 3-PGA восстанавливается, то есть берет электроны от шести молекул NADPH и производит две молекулы глицеральдегид-3-фосфата (G3P).

Одна из этих молекул G3P покидает цикл Кальвина, чтобы выполнять другие функции в растении. Оставшиеся молекулы G3P переходят на третий этап регенерации рубиско. В промежутках между этими этапами растение производит глюкозу или сахар.

Три молекулы CO2 необходимы для производства шести молекул G3P, и, согласно образовательному веб-сайту Khan Academy, требуется шесть оборотов цикла Кальвина, чтобы произвести одну молекулу углевода.

Типы фотосинтеза

Существует три основных типа путей фотосинтеза: С3, С4 и САМ. Все они производят сахара из CO2, используя цикл Кальвина, но каждый путь немного отличается.

Существуют три основных типа путей фотосинтеза: С3, С4 и САМ. Большинство растений используют фотосинтез C3, включая рис и хлопок. (Изображение предоставлено Эндрю Т. Тан через Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

C3-фотосинтез

Большинство растений используют C3-фотосинтез, согласно исследовательскому проекту фотосинтеза «Реализуя повышенную эффективность фотосинтеза» (RIPE) (открывается в новой вкладке). Растения С3 включают злаки (пшеницу и рис), хлопок, картофель и соевые бобы. Этот процесс назван в честь трехуглеродного соединения 3-PGA, которое используется во время цикла Кальвина.

C4-фотосинтез

Такие растения, как кукуруза и сахарный тростник, используют C4-фотосинтез. В этом процессе используется четырехуглеродное промежуточное соединение (называемое оксалоацетатом), которое превращается в малат (открывается в новой вкладке), согласно Biology Online. Затем малат транспортируется в оболочку пучка, где он разрушается и высвобождает CO2, который затем фиксируется рубиско и превращается в сахара в цикле Кальвина (точно так же, как фотосинтез C3). По данным Biology Online, растения C4 лучше приспособлены к жаркой и сухой среде и могут продолжать фиксировать углерод, даже когда их устьица закрыты (поскольку у них есть умное решение для хранения).

Фотосинтез САМ

Метаболизм крассуловой кислоты (САМ) обнаружен у растений, приспособленных к очень жаркой и сухой среде, таких как кактусы и ананасы, по данным Академии Хана. Когда устьица открываются для поглощения CO2, они рискуют потерять воду во внешнюю среду. Из-за этого приспособились растения в очень засушливой и жаркой среде. Одной из адаптаций является CAM, когда растения открывают устьица ночью (когда температура ниже и потеря воды менее опасна). По данным Академии Хана, CO2 попадает в растения через устьица, фиксируется в оксалоацетате и превращается в малат или другую органическую кислоту (как в пути C4). Затем CO2 доступен для светозависимых реакций в дневное время, а устьица закрываются, что снижает риск потери воды.

Дополнительные ресурсы

Узнайте больше о фотосинтезе на научно-образовательном веб-сайте sciencing.com. Узнайте, как структура листа влияет на фотосинтез, с Аризонским университетом. Узнайте о различных способах измерения фотосинтеза на научно-образовательном веб-сайте Science & Plants for Schools.

Эта статья была обновлена ​​управляющим редактором Live Science Тией Гхош 3 ноября 2022 г.

Дейзи Добриевич присоединилась к Space.