Роль фотосинтеза в жизни растений: Значение фотосинтеза. Планетарная роль зелёных растений

Содержание

Значение фотосинтеза в природе и жизни живых организмов

4.7

Средняя оценка: 4.7

Всего получено оценок: 367.

4.7

Средняя оценка: 4.7

Всего получено оценок: 367.

Фотосинтез – процесс жизнедеятельности зелёных растений, единственный в биосфере, связанный с накоплением энергии солнца. Его значение – в разностороннем обеспечении жизни на Земле.

Образование биомассы

Живые существа, – растения, грибы, бактерии и животные, состоят из органических веществ. Вся масса органики изначально образуется в процессе фотосинтеза, идущего в автотрофных организмах – растениях и некоторых бактериях.

Рис. 1. Авто- и гетеротрофные организмы.

Гетеротрофные организмы, потребляя в пищу растения, лишь видоизменяют органические вещества, не увеличивая общую биомассу планеты. Уникальность фотосинтеза в том, что при синтезе органических веществ происходит запасание в их химических связях энергии солнца. Фактически, фотосинтезирующие организмы «привязывают» солнечную энергию к Земле.

Поддержание жизни

Фотосинтез постоянно образует из углекислого газа и воды органические вещества, которые являются пищей и средой обитания для различных животных и человека.

Вся энергия, используемая в жизни живых организмов, изначально – солнечная. Фотосинтез фиксирует эту энергию на Земле и передаёт всем обитателям планеты.

Вещество и энергия, запасённые при фотосинтезе, широко используются человеком:

ископаемые энергоресурсы;
древесина;
дикорастущие растения как сырьё и эстетический ресурс;
продукция пищевого и технического растениеводства.

1 гектар леса или парка поглощает летом за 1 час 8 кг углекислого газа. Такое количество выделяется за то же время двумястами человек.

Атмосфера

Состав атмосферы менялся именно благодаря процессу фотосинтеза. Количество кислорода постепенно росло, повышая возможности организмов к выживанию. Изначально первая роль в образовании кислорода принадлежала зелёным водорослям, а теперь лесам.

Рис. 2. График изменения содержания О₂ в атмосфере в процессе эволюции.

Одним из следствий повышения содержания кислорода в атмосфере является образование озонового слоя, защищающего живые организмы от вредного солнечного излучения.

Считается, что именно после образования слоя озона стала возможной жизнь на суше.

Фотосинтез является одновременно и первоисточником, и фактором развития жизни на Земле.

Значение фотосинтеза на современном этапе приобрело новый аспект. Фотосинтез сдерживает рост концентрации СО₂ в воздухе, идущий за счёт сжигания топлива на транспорте и в промышленности. Этим ослабляется парниковый эффект. Интенсивность фотосинтеза повышается с возрастанием концентрации СО₂ до определённого предела.

Рис. 3. График зависимости фотосинтеза от содержания СО₂ в воздухе.

Что мы узнали?

Чтобы понять, каково значение фотосинтеза в природе, нужно оценить масштаб образованной на Земле биомассы и роль кислорода для жизни всех организмов. Фотосинтез – одна из сил, создавших современный облик планеты, и непрестанно обеспечивающих жизненно важные процессы питания и дыхания.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

Александр Шарапов
3/5
Барно Максудова
5/5

Оценка доклада

4.7

Средняя оценка: 4.7

Всего получено оценок: 367.

А какая ваша оценка?

Фотосинтез и возможности его использования в альтернативной энергетике

###1###Фотосинтез — эволюционный прорыв древней Земли
Более трех миллиардов лет назад живущие на земле организмы приобрели способность эффективно захватывать солнечную энергию и использовать ее для синтеза органических молекул путем фотосинтеза.

Процесс фотосинтеза привел к беспрецедентному взрыву биологической активности на Земле, позволив жизни процветать и изменяться огромными шагами,

о чем свидетельствуют ископаемые останки животных и растительных организмов, сохранившиеся в земной коре с прежних геологических эпох, а также количество и разнообразие живущих организмов на нашей планете сегодня. Энергия солнца — это единственный имеющийся в избытке источник возобновляемой энергии, и фотосинтетический аппарат использует эту энергию для осуществления термодинамически и химически затратной реакции расщепления воды. Осуществляя этот процесс, фотосинтез снабжает биологию неограниченными поставками водорода (электронов и протонов), необходимого для того, чтобы превратить двуокись углерода в органические молекулы жизни.

До эволюции фотосинтеза биология зависела от доноров водорода/электронов, то есть веществ-восстановителей, таких как сероводород H₂S или аммиак NH₃, которые присутствовали на Земле в гораздо более ограниченном количестве по сравнению с океанами воды.

Накопление выделяемого кислорода привело к возникновению аэробной атмосферы. Образование озонового слоя позволило организмам выйти из океанов на сушу. С появлением кислорода эффективность метаболизма увеличилась, поскольку аэробное дыхание дает почти в 20 раз больше клеточной энергии, чем анаэробное. Эта улучшенная эффективность в превращении энергии была, очевидно, основным фактором, ответственным за последующую эволюцию эукариотических клеток в многоклеточных организмах. Поэтому можно утверждать, что

одним из наиболее значимых событий в истории Земли была эволюция фотосинтезирующих организмов, способных окислять воду.

Фотосинтез может быть либо оксигенным (O₂ продуцирующим), либо аноксигенным. Оксигенные организмы используют энергию солнца, чтобы отрывать электроны и протоны от воды, главным образом, для цикла ассимиляции СО₂, и продуцируют О₂ в качестве побочного продукта. Аноксигенные организмы не обладают редокс потенциалом, необходимым для того, чтобы окислить Н₂О, и потому вынуждены брать электроны от других электрон-донорных субстратов, таких как H₂S или органические кислоты. Оксигенный фотосинтез имеет место в высших растениях, водорослях и цианобактериях, тогда как аноксигенный фотосинтез происходит в организмах, таких как зеленые серные и пурпурные несерные бактерии.

Благодаря фотосинтезу энергия солнца захватывается и накапливается в форме биотоплива, такого как уголь, нефть и газ. Однако эти виды топлива, даваемые фотосинтезирующими организмами, интенсивно используются и становятся ограниченными. Из всего объема потребленной энергии на Земле в 2005 году 86% было получено из ископаемых видов топлива. Кроме того, глобальное потребление энергии будет увеличиваться от настоящего уровня до 12.8-27 ТВт к 2050 году. Это приведет к дальнейшему глобальному потеплению на нашей планете, поскольку повышаются уровни двуокиси углерода и других парниковых газов в атмосфере Земли.

За последние 50 лет концентрация двуокиси углерода в атмосфере увеличилась более чем на 18%, а температура поверхности Земли увеличилась на 0,64 градуса.

Все еще не решен вопрос о том, насколько индустриальная активность человечества ответственна за эти глобальные изменения нашего климата,

так как эти изменения могут вызвать множество факторов. Тем не менее причина, за которую активность человечества, безусловно, ответственна, — это разработка только тех промышленных процессов, которые приводят к выделению двуокиси углерода, и ни одного из тех, которые бы были сопряжены с ее ассимиляцией. И это является существенной проблемой, потому что мы нарушаем равновесие в круговороте углерода, поглощая унаследованные нами источники углерода без какой-либо надежды на их возобновление. Поэтому очень важно в самом ближайшем будущем разработать источники возобновляемой, чистой энергии. В этом отношении

фотосинтез представляет собой успешный пример того, как энергия солнца может превращаться в топливо,

когда электроны отнимаются от воды, используя свет в качестве единственного источника энергии. Было бы разумно более детально изучить фотосинтез, потому что процессы фотосинтеза содержат много загадок, разгадав которые, человечество могло бы многому научиться.+++

###2###Водородное топливо
Экономика и транспортная структура, основанные на молекулярном водороде и «топливе клеток», могли бы уменьшить нашу зависимость от нефти, а также последствия загрязнения окружающей среды. Такой подход также положительно повлиял бы на энергетическую безопасность, одновременно уменьшая загрязнения воздуха и изменения глобального климата. Биологическое производство водорода с помощью фотосинтеза может однажды дать ценную альтернативу химическим и электрохимическим технологиям. Во-первых,

энергия Солнца и вода — чистые и возобновляемые источники энергии.

Во-вторых, сжигание Н₂ — экологически чистый, дающий воду в качестве конечного продукта сгорания и возобновляемый процесс. Фотосинтез лежит в основе производства водорода всеми биологическими методами за счет энергии солнца в зеленых водорослях, цианобактериях и высших растениях.

Некоторые из аноксигенных организмов способны генерировать водород довольно эффективно. Однако, поскольку они не могут получать электроны от воды, экономически невыгодно использовать их для фотопроизводства водорода в промышленных масштабах. Все оксигенные фототрофы отнимают электроны и протоны от воды и затем восстанавливают пластохинон и вещество NADP+ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), которое используется в качестве источника энергии для метаболизма клетки. В этом случае оксигенные фототрофы, включая цианобактерии и микроводоросли, могут кратковременно производить Н₂ в анаэробных условиях путем восстановления протонов.

Этот процесс катализируется ключевым ферментом гидрогеназой (или нирогеназой) и конкурирует с другими внутриклеточными процессами. В случае оксигенных фототрофов электроны и протоны, произведенные в процессе окисления воды, переносятся через ферредоксин/NADPH к гидрогеназе. Таким образом, восстановленные за счет фотосинтеза вещества — ферредоксин (или NADPH) — могут служить в качестве физиологических доноров электрона для гидрогеназы и звеном, связывающим гидрогеназы (нирогеназы) с электрон-транспортной цепью.

Исследование биологического производства водорода в зеленых водорослях было начато из простого любопытства, и после 75-летних исследований его эволюционный источник все еще остается загадкой.

Основной прогресс в этой области начинается с 1940-х годов, когда Ганс Гафрон (Hans Gaffron) открыл, что зеленая водоросль Scenedesmus obliquus продуцирует водород. Однако последнее десятилетие было отмечено существенными достижениями в этой области, что было обусловлено повышенным интересом к проблеме фотобиологического производства водорода. Некоторые водоросли в анаэробных условиях могут использовать крахмал в качестве источника протонов и электронов для продуцирования Н₂ с помощью гидрогеназ. В цианобактериях протон и электрон, оторванные от воды, могут превращаться в водород с помощью нитрогеназ или в процессе ферментации (см. рисунок).

В частности, для некоторых видов зеленых водорослей были секвенированы гены, кодирующие гидрогеназы, и определена кристаллическая структура этих ферментов. Кроме того, в результате интенсивных исследований структуры процессов сборки и биологических свойств гидрогеназ был выяснен механизм, с помощью которого гидрогеназа создает молекулярный водород.

Очевидно, что

коммерческое производство так называемого фотосинтетического водорода (получаемого за счет фотосинтеза) будет невозможно до тех пор, пока не будут решены две главные проблемы, которые мешают гидрогеназе продуцировать значительные количества молекулярного водорода.

Во-первых, гидрогеназа имеет короткое время жизни — фермент не может быть использован для продуцирования водорода дольше одной минуты. Во-вторых, необходимо сделать так, чтобы гидрогеназа стала устойчивой к кислороду. Поскольку все известные в настоящее время гидрогеназы имеют короткое время жизни даже в присутствии очень низких концентраций кислорода, то только модифицированные гидрогеназы с увеличенной способностью продуцировать водород и/или уменьшенной чувствительностью к кислороду позволят перейти к коммерческому производству фотосинтетически генерируемого водорода. Фотосинтетическая эффективность также важна для производства водорода. Поэтому необходима разработка подходов для улучшения связи между фотосинтетической эффективностью, стабильностью, продуктами фотосинтеза и производством водорода.+++

###3###Как происходит фотосинтез?

Фотосинтез растений — важный биологический процесс, от которого зависит жизнь всех живых организмов. Сальдо химического равновесия фотосинтеза растений — это образование карбогидратов и молекулярного кислорода из двуокиси углерода и воды с помощью энергии солнечного света. Важной характеристикой этого фантастического преобразования является «расщепление воды», а именно образование одной молекулы кислорода из двух молекул воды, сопровождающееся выделением двух «эквивалентов водорода». Эти «эквиваленты» водорода в конечном итоге используются на образование биологического топлива, такого как крахмал.

Энергия, необходимая для реакции расщепления воды, потребляется от солнечного света с помощью особого фермента, называемого фотосистемой 2 (ФС-2).

Фотосинтез инициируется серией фотохимических реакций, в которых энергия поглощенного молекулами хлорофилла света превращается в химическую энергию, которая может быть использована для серии метаболических реакций. Реакции поглощения света в фотосинтетических организмах можно разделить на два раздельных процесса. В первом свет поглощается пигментами антенны, которые связаны с белками антенны. Молекулы хлорофилла, которые поглотили свет, могут передавать эту энергию другим соседним пигментам в процессе, который некоторые называют переносом экситона. Структура и организация антенных пигмент-белковых комплексов показала, что эти белки функционируют в качестве неких строительных лесов, которые связывают их молекулы хлорофилла в высокоорганизованные комплексы (см. рисунок).

Оксигенные организмы (цианобактерии, водоросли и растения) с двумя фотосистемами (ФС-1 и ФС-2) (см. рисунок), а также фотосинтетические бактерии с одной фотосистемой содержат фотосинтетические реакционные центры (РЦ), которые представляют собой белковые мембранные комплексы, состоящие из множества субъединиц, и функционируют в качестве превосходных фотохимических устройств.

Пигменты реакционных центров захватывают энергию, поставляемую, главным образом, процессом переноса энергии возбуждения от антенны, а также прямым поглощением света. Здесь, в реакционных центрах, энергия света превращается в потенциальную энергию окисления-восстановления и стабилизируется в форме, которая имеет время жизни, достаточно долгое, чтобы позволить электронам быть экстрагированными из системы. Перенос этих электронов к другим интермедиатам сопровождается генерированием ионной силы и градиента рН, что дает энергию для синтеза АТФ, а также восстанавливающую энергию, которая используется для превращения СО₂ в сахар, крахмал и другие метаболиты.

Все реакционные центры имеют поразительную аналогию в структуре и составе.

В ФС-2 РЦ состоят из двух внутренних мембранных белков Д1 и Д2, чьи аминокислотные последовательности аналогичны, но не идентичны, в аноксигенных фотосинтетических бактериях найдены аналогичные белки L и M. Взаимодействия между этими двумя белками во всех фототрофных организмах образует гетеродимерную структуру, которая предоставляет связывающие участки для кофакторов, которые участвуют в реакциях фотохимического разделения зарядов (см. рисунок выше).

«Фермент», который дал существенный толчок эволюции, известен как ФС-2 и является поэтому ферментом глобального значения. Все типы растений, водоросли и цианобактерии содержат этот многобелковый комплекс, расположенный в тилакоидных мембранах. В отличие от химического и электрохимического расщепления воды, которые термодинамически высокозатратные, биологический механизм расщепления воды, катализируемый ФС-2, по-настоящему удивительный, потому что он происходит за счет очень незначительной движущей силы, имеет только умеренные энергии активации, на языке электрохимиков, он имеет малое перенапряжение. Эти свойства побудили химиков обратить завистливые взгляды на фермент, окисляющий воду, в поисках разгадок того, как построить эффективные фотохимические системы, имитирующие, подражающие этой природной реакции. Выигрыш в эффективности от такого катализа мог бы быть значительным и мог бы сделать существенный вклад в производство альтернативного топлива (электрохимическое и фотохимическое расщепление воды).

Постепенно молекулярные энзимологии медленно открывали секреты фотосинтетического водорасщепляющего фермента.

Было показано, что фотохимический РЦ ФС-2 подобен более простому и гораздо более изученному РЦ пурпурных бактерий. Это впервые было показано в 1980-х с помощью спектроскопии, биохимии и молекулярной биологии, а позже подтверждено кристаллографией. Однако каталитический участок окисления воды все еще изучен недостаточно. Одним из наиболее важных достижений в структурной биологии в конце 20-го столетия была кристаллизация бактериальных РЦ и

определение их структуры, сделанное Дейзенхофером и Михелем (Deisenhofer and Michel), которые наряду с Робертом Хубером (Robert Huber) получили Нобелевскую премию по химии за эту работу в 1988 году.

Это открыло дверь к кристаллизации и определению структуры большого числа различных мембранных белков, а также привело в конечном итоге к кристаллизации ФС-1 и ФС-2, и выяснению их структур с разрешением, соответственно, 2.5 и 3.0 Å. Несколько интересных аспектов функции РЦ были выяснены с помощью этих кристаллических структур. РЦ бактерий, ФС-1 и ФС-2 обладают псевдо С2 симметрией: можно разделить центры пополам, чтобы получить зеркальные изображения, которые будут аналогичными, подобными, но не идентичными; имеются две ветви кофакторов транспорта электрона, каждая из которых может служить в качестве пути транспорта электрона. Кофакторы переноса электрона организованы так, что поглощение света приводило бы к переносу электрона через липидный бислой тилакоидной мембраны. Поскольку структура и функция бактериального РЦ, или РЦ тип II, хорошо охарактеризована, структура этой системы используется в качестве основы для понимания функции всех фотосинтетических реакционных центров.

Точная кинетическая модель окислительно-восстановительных интермедиатов, система (машина) была установлена в течение последних десятилетий. Общепринято, что активный участок состоит из кластера из четырех ионов Mn, близко расположенных к активной тирозиновой группе. Была также показана роль близлежащего иона Са. С помощью направленного мутагенеза и спектроскопии были получены данные о специфических аминокислотах, вероятных лигандах Mn. Кроме того, накоплено много спектроскопической информации о структурной геометрии этого кластера. Но поскольку Mn — это один из наименее кооперативных переходных металлов, однозначная структура водорасщепляющего участка не определена.

Однако эта картина изменилась вследствие появления рентгеноструктурных кристаллографических моделей.

Первые грубые структурные модели подтвердили существующие модели относительно мест расположения и конфигураций кофакторов фотохимического реакционного центра и основные аспекты белковой структуры. Они оказались, как и ожидалось, неким реакционным центром пурпурных бактерий с Mn-содержащим комплексом в основании. Несколько давнишних неопределенностей также были решены: например, расположение Mn-содержащего кластера и вопрос о том, на какой стороне реакционного центра расположен цитохром b559 и т. д. Первая кристаллографическая модель с высоким разрешением, включая большую часть боковых аминокислотных цепей многих субъединиц, впервые появилась в 2004 году. Это дало не только множество прямых новых данных, но также богатый источник структурной информации для значительного ряда текущих и будущих исследований. Хотя имеющиеся на настоящий момент кристаллические структуры еще не дают ясной недвусмысленной модели структуры и конфигурации водорасщепляющего участка, они дали заметный количественный прыжок.

Сегодня мы знаем много о ФС-2 и реакции окисления воды. Однако остается много вопросов, на которые еще предстоит ответить. Ясно, что структурные свойства и динамика структурообразующих белков ФС-2 являются критичными для переноса электронов, который приводит к окислению воды до молекулярного кислорода. Тем не менее необходимо полностью понять эти белковые взаимодействия, получить кристаллическую структуру с более высоким разрешением, а также усовершенствовать и/или разработать методы определения динамики белков.

Полностью понять реакции ФС-2 необходимо не только для развития наших фундаментальных знаний, но и для разработки новых технологий, использующих энергию солнца для расщепления воды на чистый молекулярный кислород и водород, которые будут использованы в качестве потенциального источника топлива, как указывал на это Жюль Верн еще 136 лет назад (см. рисунок).

«Я думаю, что воду когда-нибудь будут употреблять как топливо, что водород и кислород, которые входят в ее состав, будут использованы вместе или поодиночке и явятся неисчерпаемым источником света и тепла, значительно более интенсивным, чем уголь. Придет день, когда котлы паровозов, пароходов и тендеры локомотивов будут вместо угля нагружены сжатыми газами, и они станут гореть в топках с огромной энергией… Вода — уголь будущего», — писал Жюль Верн в своей книге «Таинственный остров».

В следующей лекции профессор Аллахвердиев расскажет о новейших исследованиях свойств и функций ФС-2, а также об экспериментальном устройстве, позволяющем вырабатывать энергию из воды и солнечного света.+++

Важная роль фотосинтеза

Билл Кук, Расширение Мичиганского государственного университета —
09 апреля 2013 г.

Фотосинтез — это не только производство кислорода, но и производство энергии.

Большинство людей согласится с тем, что фотосинтез — это здорово. Я никогда не слышал, чтобы кто-то возражал против этого. Однако некоторые люди упустили цель фотосинтеза. Это не производство кислорода.

Основной функцией фотосинтеза является преобразование солнечной энергии в химическую энергию, а затем сохранение этой химической энергии для будущего использования. По большей части живые системы планеты питаются от этого процесса. Это не особенно эффективно по стандартам человеческой инженерии, но оно делает свою работу. Фотосинтез происходит в областях клетки, называемых хлоропластами. Химия и физика сложны.

Немного унизительно осознавать, что энергия в наших телах проходит 93 миллиона миль чуть более чем за восемь минут, и что жизнь подключилась к этому потоку энергии. На короткое время эта энергия связывается в биологических системах, прежде чем она продолжит свое веселое путешествие во тьму космоса.

По сути, зеленые растения берут углерод, водород и кислород из молекул углекислого газа и воды, а затем рекомбинируют их в новую молекулу, называемую глюкозой. Это происходит при наличии солнечного света, конечно. Энергия запасается в связях молекулы глюкозы. Глюкоза — это довольно простой сахар, который легко расщепляется. Вы никогда не задумывались, почему дети отскакивают от стен и потолков вскоре после хорошей дозы сахара?

С химической точки зрения, входными данными для фотосинтеза являются шесть атомов углерода, 12 атомов водорода и 18 атомов кислорода. Глюкоза использует шесть молекул углерода, 12 молекул водорода и шесть молекул кислорода. Простая математика показывает 12 оставшихся атомов кислорода или шесть молекул кислорода. Атомы кислорода предпочитают партнеров.

Интересно и не случайно, что в процессе дыхания молекула глюкозы расщепляется. Дыхание происходит в клетках почти всех живых существ. Высвобожденная энергия затем используется для всех видов метаболической активности, включая энергию, которую вы используете для чтения этой статьи. Дыхание происходит в областях клетки, называемых митохондриями. Химические реакции обратны фотосинтезу, используя молекулу глюкозы и шесть молекул кислорода (12 атомов) в качестве входных данных. Вместе с углекислым газом и водой высвобождается энергия.

Но хватит химии.

Деревья и другие зеленые растения тоже дышат, как и животные, но они также занимаются фотосинтезом. Вот почему экологи классифицируют зеленые растения как «производителей», а большинство других форм жизни — как «потребителей». Это про энергию. Хорошо, есть и разлагатели, но это другая история, и они все еще зависят от энергии, захваченной производителями.

Кислород – побочный продукт фотосинтеза и, соответственно, углекислый газ – побочный продукт дыхания. Деревья часто считают основным генератором кислорода на планете, но это неверно. Большая часть планеты покрыта водой, и коллективный фотосинтез низших водорослей является настоящей кислородной машиной.

Тем не менее, деревья и леса действительно являются значительными производителями кислорода. Однако если бы кислород был единственным преимуществом деревьев и лесов, мы могли бы легко обойтись без них. А некоторые леса на самом деле производят больше углекислого газа, чем кислорода. К счастью, преимущества как деревьев, так и лесов выходят далеко за рамки такой узкой области, как производство кислорода.

Основным структурным материалом растений и древесины является целлюлоза, представляющая собой особо сложный сахар. Составляющие молекулы углерода, водорода и кислорода могут рекомбинироваться с образованием множества полезных химических веществ, таких как этанол, духи, биопластики, ткани для одежды и ряд промышленных ингредиентов. Общепризнано, что источники из возобновляемых живых экосистем имеют явные преимущества перед использованием древних материалов, из которых состоит ископаемое топливо.

Растения и фотосинтез тоже являются основой ископаемого топлива, но уже миллионы и миллионы лет назад. Возвращение огромных объемов этих молекул обратно в живые экосистемы имеет несколько недостатков, которые наука научилась довольно хорошо измерять и описывать.

Деревья, леса, лесные почвы и продукты леса играют огромную роль в круговороте углерода и относительном размере различных пулов углерода. Есть и другие элементы, которые также циркулируют в лесах. Наука также неплохо разбирается в этих отношениях. Жителям Мичигана было бы полезно придать немного больше значения этим преимуществам обслуживания деревьев, лесов и управления лесами.

Что касается самого фотосинтеза, может быть, было бы лучше, если бы мы больше думали о захвате энергии и меньше о производстве кислорода.

Эта статья была опубликована Мичиганского государственного университета Extension . Для получения дополнительной информации посетите https://extension.msu.edu. Чтобы получить сводку информации, доставленную прямо в ваш почтовый ящик, посетите https://extension.msu.edu/newsletters. Чтобы связаться с экспертом в вашем регионе, посетите https://extension.msu.edu/experts или позвоните по телефону 888-MSUE4MI (888-678-3464).

Была ли эта статья полезной для вас?

Фотосинтез — понимание глобальных изменений

Фотосинтез — это процесс использования солнечного света для преобразования химических соединений (в частности, двуокиси углерода и воды ) в пищу . Фотосинтезирующие организмы (растения, водоросли и бактерии) обеспечивают большую часть химической энергии, протекающей через биосферу. Они также произвели большую часть биомассы , что привело к ископаемое топливо , которое питает большую часть нашего современного мира. Фотосинтез происходит на суше, в океане и в пресноводных средах. Первые фотосинтезирующие одноклеточные бактерии появились более 3,5 миллиардов лет назад. Последующее повышение уровня атмосферного кислорода (побочный продукт фотосинтеза) примерно через миллиард лет сыграло важную роль в формировании эволюции жизни на Земле за последние 2,5 миллиарда лет. Сегодня подавляющему большинству наземных, пресноводных и океанических организмов кислород необходим в течение 9 лет.0037 дыхание , биохимический процесс, который вырабатывает энергию из пищи.

На этой странице:

Для классной комнаты:

Учебные ресурсы

Инфографика глобальных изменений

Фотосинтез является неотъемлемой частью того, как работает система Земля. Щелкните изображение слева, чтобы открыть инфографику Understanding Global Change . Найдите значок фотосинтеза и определите другие процессы и явления в системе Земля, которые вызывают изменения в фотосинтезе или на которые он влияет.

Что такое фотосинтез?

Фотосинтез — это химический процесс, посредством которого растения, водоросли и некоторые бактерии используют энергию солнечного света для преобразования двуокиси углерода ( парниковый газ ) из атмосферы и воды в органические соединения, такие как сахара. Затем эти сахара используются для производства сложных углеводов, липидов и белков, а также древесины, листьев и корней растений. Количество органического вещества, производимого фотосинтезирующими организмами в экосистеме, определяется как производительность этой экосистемы. Энергия течет через биосферу, когда организмы (включая некоторых животных) поедают фотосинтезирующих организмов (называемых травоядными), а затем организмов поедают этих травоядных (плотоядных) и т. д., чтобы получить свою энергию для роста, размножения и других функций. . Эта энергия приобретается в процессе клеточного дыхания , для которого обычно требуется кислород. Кислород является побочным продуктом фотосинтеза. Около 70% кислорода в атмосфере, которым мы дышим, поступает из морских водорослей. Атмосферный кислород в результате фотосинтеза также образует озоновый слой , который защищает организмы от вредного высокоэнергетического ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца . Поскольку фотосинтез также требует воды, доступность воды влияет на продуктивность и биомассу экосистемы, что, в свою очередь, влияет на объем и скорость круговорота воды в экосистеме.

Ископаемое топливо получают в результате захоронения фотосинтезирующих организмов, включая растения на суше (которые в основном образуют уголь) и планктон в океанах (которые в основном образуют нефть и природный газ). При захоронении углерод в органическом материале удаляется из углеродный цикл от тысяч лет до сотен миллионов лет. Сжигание ископаемого топлива резко увеличило обмен углерода из земли обратно в атмосферу и океаны. Этот возврат углерода обратно в атмосферу в виде двуокиси углерода происходит со скоростью, в сотни и тысячи раз превышающей скорость его захоронения, и намного быстрее, чем он может быть удален в результате фотосинтеза или выветривания . Таким образом, углекислый газ, выделяющийся при сжигании ископаемого топлива, накапливается в атмосфере, увеличивая в среднем температура и вызывает подкисление океана .

Упрощенная диаграмма, показывающая общие входы — углекислый газ, вода и солнечный свет, а также продукты
— кислород и сахар (глюкоза) фотосинтеза.

На скорость фотосинтеза в экосистемах влияют различные условия окружающей среды, в том числе:

Климатические условия, такие как количество солнечного света доступного на разных широтах , температура и осадки Например, экосистемы в низких широтах, такие как влажные тропические леса, имеют более высокую продуктивность и биомассу , чем экосистемы вблизи полюсов, потому что они получают больше солнечного света и осадков, чем регионы в более высоких широтах.
Питательные вещества , особенно азот и фосфор , которые при ограничении могут снизить продуктивность, но при избытке могут увеличить продуктивность и биомассу. Фотосинтезирующие организмы извлекают питательные вещества из окружающей среды и возвращают их в почву, когда они умирают и разлагаются.
Многочисленные другие абиотические факторы окружающей среды, в том числе качество почвы (часто связанное с уровнем питательных веществ), лесные пожары , кислотность воды и уровень кислорода .
Взаимодействия видов , включая ресурсы, которые виды предоставляют друг другу, и то, как они конкурируют за такие ресурсы, как вода, свет и/или пространство. Виды, которые уменьшают или увеличивают успех других видов, изменяют размер популяций , таким образом влияя на продуктивность и биомасса .
Эволюционные процессы, которые могут изменять скорость роста и размножения фотосинтезирующих организмов с течением времени, а также скорость роста и размножения организмов, которые их поедают.

Люди изменили скорость фотосинтеза и, в свою очередь, продуктивность , в экосистемах посредством различных видов деятельности, в том числе:

Вырубка лесов , разрушение среды обитания и урбанизация , которые удаляют растения и деревья из окружающей среды и нарушают экосистемы.
Сельскохозяйственная деятельность , которая увеличивает количество сельскохозяйственных культур , чтобы прокормить растущее население планеты .
Использование удобрений для сельскохозяйственной деятельности , которые увеличивают количество питательных веществ , особенно азота и фосфора , в почве или воде. Эти питательные вещества увеличивают рост растений и водорослей, включая рост видов, токсичных для других организмов. Увеличение количества питательных веществ не всегда хорошо. Например, в водной среде стоки, богатые питательными веществами, могут вызвать рост большого количества водорослей — когда эти водоросли умирают, их поглощают бактерии, которые могут уменьшить уровень кислорода в воде, убивая рыбу и другие виды. Этот процесс известен как эвтрофикация.
Использование человеком пресной воды , что может ограничить количество воды, доступной для растений и деревьев в экосистеме.
Выброс загрязняющих веществ и отходов , которые могут уменьшить рост и размножение или убить растения.
Деятельность, при которой выделяется двуокись углерода и другие парниковые газы , вызывающие глобальное потепление, например, сжигание ископаемого топлива , сельскохозяйственная деятельность и обезлесение . Повышение уровня углекислого газа может увеличить скорость фотосинтеза в некоторых растениях, но это также может сделать растения менее питательными . Повышение средних глобальных температур суши и океана и изменение осадков моделей также влияет на рост растений и водорослей и может сделать некоторые виды более восприимчивыми к болезням .
Действия, такие как сжигание ископаемого топлива , сельскохозяйственная деятельность и вырубка лесов , выбрасывающие в атмосферу углекислый газ, который поглощается океаном, вызывая подкисление . Уменьшение рН океанских вод (наряду с потеплением океана) вызывает физиологический стресс для многих видов растений и водорослей, что может привести к снижению роста, размножения, численности популяций видов и биомассы .
Внедрение инвазивных видов , которые конкурируют с местными видами растений или водорослей за питательные вещества, воду, свет или другие ресурсы, сокращая популяции местных видов.

Модель системы Земли о фотосинтезе

Представленная ниже модель системы Земля включает некоторые процессы и явления, связанные с фотосинтезом. Эти процессы происходят с разной скоростью и в разных пространственных и временных масштабах. Например, двуокись углерода передается растениями и животными в течение относительно коротких периодов времени (часы-недели), но вырубка лесов изменяет экосистемы в течение десятилетий, столетий или дольше. Можете ли вы придумать дополнительные причинно-следственные связи между фотосинтезом и другими процессами в системе Земля?

Изучение системы Земли

Нажмите на термины, выделенные жирным шрифтом (например, дыхание, продуктивность и биомасса, и сжигание ископаемого топлива ) на этой странице, чтобы узнать больше об этих процессах и явлениях. Кроме того, изучите инфографику «Понимание глобальных изменений» и найдите новые темы, представляющие интерес и/или актуальные для вас на местном уровне.