_Фотосинтез. В процессе фотосинтеза растения
Как происходит фотосинтез в клетках — Науколандия
Растениям, как и всем живым организмам, для жизни, роста и развития нужны различные вещества. Они поступают из внешней для растения среды. В клетках растений протекают различные химические процессы, в результате которых из поступивших веществ, образуются другие вещества, характерные для растения.
Из почвы растение с помощью корней всасывает воду с растворенными в ней неорганическими (минеральными) веществами. А в зеленых частях растений, в основном в листьях, образуются органические вещества. Процесс образования растениями органических веществ из неорганических называется фотосинтезом.
Какие неорганические вещества необходимы для фотосинтеза? Это углекислый газ и вода. Углекислый газ содержится в воздухе. Его там около 0,03%. Углекислый газ выделяется в воздух в процессе дыхания почти всех живых организмов. Поэтому, несмотря на то, что его мало в воздухе, и растения постоянно поглощают его оттуда, количество углекислого газа постоянно пополняется. Кроме того, промышленность, автомобили среди прочего выбрасывают в воздух углекислый газ. Вода для фотосинтеза поступает из почвы с помощью всасывающей зоны корней.
Какие органические вещества образуются в процессе фотосинтеза? Это глюкоза. Глюкоза представляет собой углевод. Она сладкая и входит в состав молекулы сахара. Как мы знаем, есть три основные группы органических веществ: белки, жиры и углеводы. Неужели растениям не нужны белки и жиры? Нужны. Однако они образуются не в процессе фотосинтеза, а позже, в результате различных биохимических реакций, протекающих в различных клетках и органах растений. В том числе и в корнях. В этих реакциях участвует глюкоза и другие химические соединения. Избыток глюкозы преобразуется в растениях в крахмал и запасается в специальных органах (например, клубнях).
Какие неорганические вещества образуются в процессе фотосинтеза? Это кислород. Он выделяется в воздух. Кислород используется живыми организмами в процессе дыхания.
Как происходит процесс фотосинтеза? Для осуществления процесса фотосинтеза необходим солнечный свет. Он содержит энергию, которая преобразуется растениями в энергию химических связей в молекуле глюкозы. В процессе фотосинтеза участвует специальный пигмент хлорофилл, который находится в хлоропластах клеток растений. Именно хлорофилл придает растениям зеленый цвет. Он поглощает весь спектр видимого излучения, кроме зеленого цвета, который он отражает. Мы видим предметы таким цветом, который ими отражается.
Таким образом, фотосинтез — это процесс образования органических веществ из неорганических с целью запаса световой энергии в химических связях, который протекает с помощью специального пигмента (у растений им является хлорофилл).
Поскольку для растений так важен солнечный свет, то они стараются уловить его как можно больше. Для этого в процессе эволюции развились специальные приспособления. Листья растений обычно плоские и широкие. Их кожица тонкая и прозрачная. Обычно листья на растении располагаются так, чтобы не затенять друг друга.
scienceland.info
ФОТОСИНТЕЗ | Энциклопедия Кругосвет
ФОТОСИНТЕЗ – образование органических веществ зелеными растениями и некоторыми бактериями с использованием энергии солнечного света.
В ходе фотосинтеза происходит поглощение из атмосферы диоксида углерода и выделение кислорода.
Первым обнаружил, что растения выделяют кислород, английский химик и философ Джозеф Пристли около 1770. Вскоре было установлено, что для этого необходим свет и что кислород выделяют только зеленые части растений. Затем исследователи нашли, что для питания растений требуется диоксид углерода и вода, из которых создается большая часть массы растений. В 1817 французские химики Пьер Жозеф Пелатье (1788–1842) и Жозеф Бьенеме Каванту (1795–1877) выделили зеленый пигмент хлорофилл (по-гречески cróz – chloros, зеленый; julln – phyllon, лист). Позднее российский ученый Климент Аркадьевич Тимирязев (1843–1920) показал, что фотосинтез проходит с наибольшей интенсивностью в тех областях солнечного спектра, где находятся максимумы поглощения хлорофилла.
К середине 19 в. было установлено, что фотосинтез является процессом, как бы обратным дыхательному. Французский ученый Жан Батист Буссенго (1802–1887) в своих работах, опубликованных в это время, утверждал, что в процессе фотосинтеза происходит выделение кислорода из углекислого газа. Это мнение в научной литературе господствовало длительное время.
В 1860-х было высказано предположение, что диоксид углерода в растениях восстанавливается до органических кислот, в частности, муравьиной и щавелевой. Затем эти кислоты при дальнейшем восстановлении переходят в углеводы. В 1861 русский химик Александр Михайлович Бутлеров получил при действии известковой воды на формальдегид сиропообразное вещество, содержащее углеводы. Основываясь на этом открытии, немецкий химик Адольф Байер в 1870 высказал предположение, что первичным продуктом восстановления диоксида углерода в зеленых растениях является формальдегид, который затем превращается в углеводы. Эта гипотеза привлекла всеобщее внимание – она казалась наиболее правдоподобной. Однако она ничего не говорила о механизме выделения кислорода.
Этим вопросом занялся в конце 19 в. биохимик Алексей Николаевич Бах (1857–1946). На основе экспериментальных исследований он пришел к выводу, что при ассимиляции диоксида углерода источником выделяющегося молекулярного кислорода являются пероксиды, образующиеся из воды. Он же высказал предположение о биокаталитической роли белков-ферментов в фотосинтезе.
В 20 в. было установлено, что процесс фотосинтеза начинается на свету в фоторецепторах хлорофиллов, однако многие из последующих стадий могут протекать в темноте. Общий процесс является эндотермическим (DH° ~ 469 кДж/моль СО2). В нем участвует несколько типов хлорофилла, а также другие комплексы магния, железа и меди.
В 1941 американский биохимик Мелвин Калвин (1911–1997) показал, что первичный процесс фотосинтеза заключается в фотолизе молекул воды, в результате чего образуются кислород, выделяющийся в атмосферу, и водород, идущий на восстановление диоксида углерода до органических веществ. Используя радиоактивный изотоп углерода 14С, бумажную хроматографию и классические методы органической химии, Калвин и его группа смогли проследить биосинтетические пути фотохимических процессов. К 1956 стал ясным полный путь превращения углерода при фотосинтезе. За исследования в области ассимиляции диоксида углерода в растениях Калвин был удостоен в 1961 Нобелевской премии по химии.
Полная последовательность всех стадий фотосинтеза пока еще выяснена не до конца, однако интенсивная научная работа в этом направлении продолжается. Исследуется механизм электронного транспорта, продолжается выяснение природы комплекса, катализирующего образование кислорода, изучается структура реакционных центров и светособирающих комплексов.
В целом, химический баланс фотосинтеза может быть представлен в виде простого уравнения:
6CO2 + 6h3O = C6h22O6 + 6O2
Водород, необходимый для восстановления диоксида углерода до глюкозы, берется из воды, а выделяющийся в ходе фотосинтеза кислород является побочным продуктом. Процесс нуждается в энергии света, так как вода сама по себе не способна восстанавливать диоксид углерода.
В светозависимой части фотосинтеза (световой реакции) происходит расщепление молекул воды с образованием протонов, электронов и атома кислорода. Электроны, возбужденные энергией света, восстанавливают никотинадениндинуклеотидфосфат (НАДФ). Образующийся НАДФ-Н является подходящим восстановителем для перевода диоксида углерода в органические соединения. Кроме того, в световой реакции образуется аденозинтрифосфат (АТФ), который также необходим для фиксации диоксида углерода.
В световых реакциях электроны переносятся по электрон-транспортной цепи от одной окислительно-восстановительной системы к другой. Возбуждение электронов для восстановления никотинадениндинуклеотидфосфата – сложный фотохимический процесс. Он происходит в реакционных центрах (фотосистемах), которые представляют собой белковые комплексы, содержащие множество молекул хлорофилла и других пигментов. Только около 1% молекул хлорофилла участвуют непосредственно в фотохимическом переносе электронов. Основная часть связана с другими пигментами в так называемом комплексе светособирающей антенны. Энергия кванта света, накопленного в комплексе, передается на реакционный центр, где и используется.
Последующие процессы могут протекать в темноте (темновая реакция). Полная последовательность превращения диоксида углерода в органические соединения называется циклом Калвина.
В зеленых водорослях и высших растениях фотосинтез происходит в хлоропластах, которые окружены двумя мембранами и содержат собственную ДНК. Световые реакции катализируются ферментами, находящиеся в сложенных стопками утолщенных мембранных мешках, а темновые реакции происходят во внутреннем пространстве хлоропластов.
Таким образом, в основе фотосинтеза лежит превращение электромагнитной энергии света в химическую энергию. Эта энергия, в конце концов, дает возможность превращать диоксид углерода в углеводы и другие органические соединения с выделением кислорода.
Фотосинтез, являющийся одним из самых распространенных процессов на Земле, обуславливает природные круговороты углерода, кислорода и других элементов и обеспечивает материальную и энергетическую основу жизни на нашей планете. Фотосинтез является единственным источником атмосферного кислорода.
Процесс фотосинтеза является основой питания всех живых существ, а также снабжает человечество топливом (древесина, уголь, нефть), волокнами (целлюлоза) и бесчисленными полезными химическими соединениями. Из диоксида углерода и воды, связанных из воздуха в ходе фотосинтеза, образуется около 90–95% сухого веса урожая. Остальные 5–10% приходятся на минеральные соли и азот, полученные из почвы.
Человек использует около 7% продуктов фотосинтеза в пищу, в качестве корма для животных и в виде топлива и строительных материалов.
Елена Савинкина
www.krugosvet.ru
Фотосинтез • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»
Растения превращают солнечный свет в запасенную химическую энергию в два этапа: сначала они улавливают энергию солнечного света, а затем используют ее для связывания углерода с образованием органических молекул.
Зеленые растения — биологи называют их автотрофами — основа жизни на планете. С растений начинаются практически все пищевые цепи. Они превращают энергию, падающую на них в форме солнечного света, в энергию, запасенную в углеводах (см. Биологические молекулы), из которых важнее всего шестиуглеродный сахар глюкоза. Этот процесс преобразования энергии называется фотосинтезом. Другие живые организмы получают доступ к этой энергии, поедая растения. Так создается пищевая цепь, поддерживающая планетарную экосистему.
Кроме того, воздух, которым мы дышим, благодаря фотосинтезу насыщается кислородом. Суммарное уравнение фотосинтеза выглядит так:
вода + углекислый газ + свет → углеводы + кислород
Растения поглощают углекислый газ, образовавшийся при дыхании, и выделяют кислород — продукт жизнедеятельности растений (см. Гликолиз и дыхание). К тому же, фотосинтез играет важнейшую роль в круговороте углерода в природе.
Кажется удивительным, что при всей важности фотосинтеза ученые так долго не приступали к его изучению. После эксперимента Ван Гельмонта, поставленного в XVII веке, наступило затишье, и лишь в 1905 году английский физиолог растений Фредерик Блэкман (Frederick Blackman, 1866–1947) провел исследования и установил основные процессы фотосинтеза. Он показал, что фотосинтез начинается при слабом освещении, что скорость фотосинтеза возрастает с увеличением светового потока, но, начиная с определенного уровня, дальнейшее усиление освещения уже не приводит к повышению активности фотосинтеза. Блэкман показал, что повышение температуры при слабом освещении не влияет на скорость фотосинтеза, но при одновременном повышении температуры и освещения скорость фотосинтеза возрастает значительно больше, чем при одном лишь усилении освещения.
На основании этих экспериментов Блэкман заключил, что происходят два процесса: один из них в значительной степени зависит от уровня освещения, но не от температуры, тогда как второй сильно определяется температурой независимо от уровня света. Это озарение легло в основу современных представлений о фотосинтезе. Два процесса иногда называют «световой» и «темновой» реакцией, что не вполне корректно, поскольку оказалось, что, хотя реакции «темновой» фазы идут и в отсутствии света, для них необходимы продукты «световой» фазы.
Фотосинтез начинается с того, что излучаемые солнцем фотоны попадают в особые пигментные молекулы, находящиеся в листе, — молекулы хлорофилла. Хлорофилл содержится в клетках листа, в мембранах клеточных органелл хлоропластов (именно они придают листу зеленую окраску). Процесс улавливания энергии состоит из двух этапов и осуществляется в раздельных кластерах молекул — эти кластеры принято называть Фотосистемой I и Фотосистемой II. Номера кластеров отражают порядок, в котором эти процессы были открыты, и это одна из забавных научных странностей, поскольку в листе сначала происходят реакции в Фотосистеме II, и лишь затем — в Фотосистеме I.
Когда фотон сталкивается с 250-400 молекулами Фотосистемы II, энергия скачкообразно возрастает и передается на молекулу хлорофилла. В этот момент происходят две химические реакции: молекула хлорофилла теряет два электрона (которые принимает другая молекула, называемая акцептором электронов) и расщепляется молекула воды. Электроны двух атомов водорода, входивших в молекулу воды, возмещают два потерянных хлорофиллом электрона.
После этого высокоэнергетический («быстрый») электрон перекидывают друг другу, как горячую картофелину, собранные в цепочку молекулярные переносчики. При этом часть энергии идет на образование молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), одного из основных переносчиков энергии в клетке (см. Биологические молекулы). Тем временем немного другая молекула хлорофилла Фотосистемы I поглощает энергию фотона и отдает электрон другой молекуле-акцептору. Этот электрон замещается в хлорофилле электроном, прибывшим по цепи переносчиков из Фотосистемы II. Энергия электрона из Фотосистемы I и ионы водорода, образовавшиеся ранее при расщеплении молекулы воды, идут на образование НАДФ-Н, другой молекулы-переносчика.
В результате процесса улавливания света энергия двух фотонов запасается в молекулах, используемых клеткой для осуществления реакций, и дополнительно образуется одна молекула кислорода. (Отмечу, что в результате еще одного, значительно менее эффективного процесса с участием одной лишь Фотосистемы I, также образуются молекулы АТФ.) После того как солнечная энергия поглощена и запасена, наступает очередь образования углеводов. Основной механизм синтеза углеводов в растениях был открыт Мелвином Калвином, проделавшим в 1940-е годы серию экспериментов, ставших уже классическими. Калвин и его сотрудники выращивали водоросль в присутствии углекислого газа, содержащего радиоактивный углерод-14. Им удалось установить химические реакции темновой фазы, прерывая фотосинтез на разных стадиях.
Цикл превращения солнечной энергии в углеводы — так называемый цикл Калвина — сходен с циклом Кребса (см. Гликолиз и дыхание): он тоже состоит из серии химических реакций, которые начинаются с соединения входящей молекулы с молекулой-«помощником» с последующей инициацией других химических реакций. Эти реакции приводят к образованию конечного продукта и одновременно воспроизводят молекулу-«помощника», и цикл начинается вновь. В цикле Калвина роль такой молекулы-«помощника» выполняет пятиуглеродный сахар рибулозодифосфат (РДФ). Цикл Калвина начинается с того, что молекулы углекислого газа соединяются с РДФ. За счет энергии солнечного света, запасенной в форме АТФ и НАДФ-H, сначала происходят химические реакции связывания углерода с образованием углеводов, а затем — реакции воссоздания рибулозодифосфата. На шести витках цикла шесть атомов углерода включаются в молекулы предшественников глюкозы и других углеводов. Этот цикл химических реакций будет продолжаться до тех пор, пока поступает энергия. Благодаря этому циклу энергия солнечного света становится доступной живым организмам.
В большинстве растений осуществляется описанный выше цикл Калвина, в котором углекислый газ, непосредственно участвуя в реакциях, связывается с рибулозодифосфатом. Эти растения называются C3-растениями, поскольку комплекс «углекислый газ—рибулозодифосфат» расщепляется на две молекулы меньшего размера, каждая из которых состоит из трех атомов углерода. У некоторых растений (например, у кукурузы и сахарного тростника, а также у многих тропических трав, включая ползучий сорняк) цикл осуществляется по-другому. Дело в том, что углекислый газ в норме проникает через отверстия в поверхности листа, называемые устьицами. При высоких температурах устьица закрываются, защищая растение от чрезмерной потери влаги. В C3-растения при закрытых устьицах прекращается и поступление углекислого газа, что приводит к замедлению фотосинтеза и изменению фотосинтетических реакций. В случае же кукурузы углекислый газ присоединяется к трехуглеродной молекуле на поверхности листа, затем переносится во внутренние участки листа, где углекислый газ высвобождается и начинается цикл Калвина. Благодаря этому довольно сложному процессу фотосинтез у кукурузы осуществляется даже в очень жаркую, сухую погоду. Растения, в которых происходит такой процесс, мы называем C4-растениями, поскольку углекислый газ в начале цикла транспортируется в составе четырехуглеродной молекулы. C3-растения — это в основном растения умеренного климата , а C4-растения в основном произрастают в тропиках.
Гипотеза Ван Ниля
Процесс фотосинтеза описывается следующей химической реакцией:
СО2 + Н2О + свет → углевод + О2
В начале XX века считалось, что кислород, выделяющийся в процессе фотосинтеза, образуется в результате расщепления углекислого газа. Эту точку зрения опроверг в 1930-е годы Корнелис Бернардус Ван Ниль (Van Niel, 1897–1986), в то время аспирант Стэнфордского университета в штате Калифорния. Он занимался изучением пурпурной серобактерии (на фото), которая нуждается для осуществления фотосинтеза в сероводороде (h3S) и выделяет в качестве побочного продукта жизнедеятельности атомарную серу. Для таких бактерий уравнение фотосинтеза выглядит следующим образом:
СО2 + Н2S + свет → углевод + 2S.
Исходя из сходства этих двух процессов, Ван Ниль предположил, что при обычном фотосинтезе источником кислорода является не углекислый газ, а вода, поскольку у серобактерий, в метаболизме которых вместо кислорода участвует сера, фотосинтез возвращает эту серу, являющуюся побочным продуктом реакций фотосинтеза. Современное подробное объяснение фотосинтеза подтверждает эту догадку: первой стадией процесса фотосинтеза (осуществляемой в Фотосистеме II) является расщепление молекулы воды.
elementy.ru
образование органики при освещении. Экопарк Z
Фотосинтез — процесс образования живыми растительными клетками органических веществ (сахара, крахмала и др.) из неорганических (углекислого газа и воды) с помощью энергии фотонов света, поглощаемых пигментами растений.
Это процесс производства пищи, от которого зависят все живые существа — растения, животные и человек. У всех наземных растений и у большей части водных в ходе фотосинтеза выделяется кислород.
Некоторым организмам, однако, свойственны другие виды фотосинтеза, проходящие без выделения кислорода.
К органическим веществам относятся все соединения углерода за исключением его оксидов и нитридов.
В наибольшем количестве образуются при фотосинтезе такие органические вещества, как углеводы (в первую очередь сахара и крахмал), аминокислоты (из которых строятся белки) и, наконец, жирные кислоты (которые в сочетании с глицерофосфатом служат материалом для синтеза жиров).
Из неорганических веществ для синтеза всех этих соединений требуются вода (Н2О) и диоксид углерода (СО2). Для аминокислот требуются, кроме того, азот и сера.
Растения могут поглощать эти элементы в форме их оксидов, нитрата (NO3-) и сульфата (SO42−) или в других, более восстановленных формах, таких, как аммиак (Nh4) или сероводород (сульфид водорода h3S).
В состав органических соединений может включаться при фотосинтезе также фосфор (растения поглощают его в виде фосфата) и ионы металлов — железа и магния. Марганец и некоторые другие элементы тоже необходимы для фотосинтеза, но лишь в следовых количествах.
У наземных растений все эти неорганические соединения, за исключением СО2, поступают через корни. СО2 растения получают из атмосферного воздуха, в котором средняя его концентрация составляет 0,03%. СО2 поступает в листья, а О2 выделяется из них через небольшие отверстия в эпидермисе, называемые устьицами.
Открывание и закрывание устьиц регулируют особые клетки — их называют замыкающими — тоже зелёные и способные осуществлять фотосинтез. Когда на замыкающие клетки падает свет, в них начинается фотосинтез.
Накопление его продуктов вынуждает эти клетки растягиваться. При этом устьичное отверстие открывается шире, и СО2 проникает к нижележащим слоям листа, клетки которых могут теперь продолжать фотосинтез.
Устьица регулируют и испарение воды листьями, т. н. транспирацию, поскольку большая часть водяных паров проходит именно через эти отверстия.
Водные растения добывают все необходимые им питательные вещества из воды, в которой живут. СО2 и ион бикарбоната (HCO3) тоже содержатся и в морской, и в пресной воде. Водоросли и другие водные растения получают их непосредственно из воды.
Свет в фотосинтезе играет роль не только катализатора, но и одного из реагентов. Значительная часть световой энергии, используемой растениями при фотосинтезе, запасается в виде химической потенциальной энергии в продуктах фотосинтеза.
Для фотосинтеза, идущего с выделением кислорода, в той или иной мере пригоден любой видимый свет от фиолетового (длина волны 400 нм) до среднего красного (700 нм).
При некоторых видах бактериального фотосинтеза, не сопровождающегося выделением O2, может эффективно использоваться свет с большей длиной волны, вплоть до дальнего красного (900 нм).
Фотосинтез составляет энергетическую основу всего живого на планете, кроме хемо-синтезирующих бактерий.
Возникновение на Земле более 3 млрд. лет назад механизма расщепления молекулы воды квантами солнечного света с образованием O2 представляет собой важнейшее событие в биологической эволюции, сделавшее свет Солнца главным источником энергии биосферы.
Фототрофы обеспечивают конверсию и запасание энергии термоядерных процессов, протекающих на Солнце, в энергию органических молекул. Солнечная энергия при участии фототрофов конвертируется в энергию химических связей органических веществ.
Существование гетеротрофных организмов возможно исключительно за счёт энергии, запасённой фототрофами в органических соединениях. При использовании энергии химических связей органических веществ гетеротрофы высвобождают её в процессах дыхания и брожения.
Энергия, получаемая человечеством при сжигании ископаемого топлива (уголь, нефть, природный газ, торф), также является запасённой в процессе фотосинтеза.
Фотосинтез служит главным входом неорганического углерода в биогеохимический цикл.
Фотосинтез является основой продуктивности сельско-хозяйственно важных растений.
Большая часть свободного кислорода атмосферы — биогенного происхождения и является побочным продуктом фотосинтеза.
Формирование окислительной атмосферы (кислородная катастрофа) полностью изменило состояние земной поверхности, сделало возможным появление дыхания, а в дальнейшем, после образования озонового слоя, позволило жизни существовать на суше.
Фотосинтез зависит от температуры:
Температурные пределы, в которых возможно осуществление процессов фотосинтеза, различны для разных растений.
Понижение температуры влияет на фотосинтез прямо, уменьшая активность ферментов, участвующих в темновых реакциях, и косвенно, благодаря повреждению органелл.
Минимальная температура для фотосинтеза растений средней полосы около 0°С, для тропических растений 5—10°С.
Наиболее благоприятны для фотосинтеза красные и синие лучи Солнца — именно поэтому в Фитолампах ставят, в основном, красные и синие светодиоды.
Зависимость интенсивности фотосинтеза от освещённости носит логарифмический характер: фотосинтез начинается при низкой освещённости, сначала его интенсивность растёт в линейной зависимости от освещённости, а затем наступает насыщение и при росте освещённости дальнейшего роста интенсивности фотосинтеза не происходит, а затем и падает.
Причём у разных растений эти логарифмические зависимости существенно различаются и точкой начала, и наклоном графика зависимости, и величиной насыщения — именно этим и объясняется выделение светолюбивых, тенелюбивых и теневыносливых растений.
Вот типичная зависимость интенсивности фотосинтеза в зависимости от освещённости на примере кукурузы:
Зависимость скорости фотосинтеза от интенсивности света у кукурузы
Интенсивность фотосинтеза зависит от многих факторов,
однако решающую роль играют свет, температура и водный режим.
С восходом Солнца интенсивность фотосинтеза возрастает вместе с освещённостью, достигая максимальных значений в 9—12 часов.
Дальнейший характер процесса определяется степенью оводнённости листьев, температурой воздуха и интенсивностью солнечного света.
В полуденные часы интенсивность фотосинтеза не увеличивается: она может оставаться примерно на уровне утреннего максимума (в нежаркие, облачные дни) или несколько снижаться, но тогда к 16 — 17 часам наблюдается повторное усиление процесса.
Интенсивность фотосинтеза падает после 22 часов с заходом солнца.
Поэтому имеет смысл в средней полосе России располагать грядки в направлении Север — Юг, а с южной стороны сажать высокие светолюбивые растения, притеняющие грядку при избыточной максимальной освещённости.
Кроме того, интенсивность фотосинтеза возрастает (при прочих равных условиях) при росте содержания углекислого газа в воздухе с 0,03 % вплоть до 3 %, что иногда используется в теплицах путём стравливания углекислого газа из баллонов.
Приглашаю всех высказываться в Комментариях. Критику и обмен опытом одобряю и приветствую. В хороших комментариях сохраняю ссылку на сайт автора!
И не забывайте, пожалуйста, нажимать на кнопки социальных сетей, которые расположены под текстом каждой страницы сайта.
Продолжение тут…
ep-z.ru
Фотосинтез
Фотосинтез
Из общего количества солнечного излучения, попадающего на нашу планету, лишь половина доходит до поверхности Земли, только 1/8 имеет длину волны, подходящую для фотосинтеза, и лишь 0,4 % таких лучей (около 1 % от общего объёма энергии) используется растениями. Именно от этого одного процента зависит вся жизнь на Земле.
В процессе фотосинтеза углекислый газ в присутствии хлорофилла реагирует с водой; при этом образуется глюкоза и выделяется кислород:
| 6CO2 + 6h3O → C6h22O6 + 6O2. |
| CO2 + 2h3O → [Ch3O] + O2 + h3O, |
| CO2 + 2h3S → [Ch3O] + 2S + h3O, |
 1 |
Общая схема фотосинтеза |
Таким образом, процесс фотосинтеза включает в себя две стадии:
- получение водорода (фотолиз) – при этом кислород выделяется как побочный продукт реакции;
- получение глюкозы (восстановление).
 2 |
Газообмен в листе происходит через устьица |
 3 |
Интенсивность фотосинтеза на различных длинах волн |
Первая стадия фотосинтеза протекает на свету. Световые кванты дают электронам энергию, необходимую для переноса их от хлорофилла или другого фотосинтезирующего пигмента. В ходе первой стадии из АДФ (аденозиндифосфата) и фосфата синтезируется АТФ (аденозинтрифосфат), а НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) восстанавливается до НАДФ∙h3. Синтез АТФ за счёт энергии световых квантов называется фотофосфорилированием. Этот процесс может быть циклическим (в реакции «работают» одни и те же электроны) и нециклическим (электроны в конце концов доходят до НАДФ и, взаимодействуя с ионами водорода, образуют НАДФ∙h3). Кислород как побочный продукт реакции выделяется только во втором случае.
 |
Молекула хлорофилла |
Для реакций второй стадии свет не нужен. Восстановление CO2 происходит за счет энергии АТФ и накопленного НАДФ∙h3. Углекислый газ связывается с пятиуглеродным сахаром рибулозобисфосфатом, образуя две молекулы трёхуглеродной фосфоглицериновой кислоты (ФГК). Такой процесс получил название C3-фотосинтеза. Последующий цикл реакций (цикл Кальвина) приводит к образованию из ФГК сахара (например, глюкозы), а также ресинтезу рибулозобисфосфата. У некоторых растений (например, сахарного тростника, сои) наблюдается так называемый C4-фотосинтез, в реакциях которого CO2, восстанавливаясь, включается в состав органических кислот, имеющих четыре атома углерода (например, яблочной). При этом поглощение углекислоты идёт гораздо эффективнее, повышается и продуктивность растений.
На скорость фотосинтеза влияют многие факторы. Основными из них являются интенсивность света, концентрация кислорода и углекислого газа, температура окружающей среды. Состояние, когда скорость выделения кислорода растением равна скорости его дыхания, называется точкой компенсации.
Кислород в процессе фотосинтеза может действовать как конкурентный ингибитор, взаимодействуя с рибулозодисфосфатом вместо углекислого газа. При этом образуется одна молекула ФГК и фосфогликолат, сразу расщепляющийся до гликолата. Чтобы вернуть хотя бы часть углерода, связанного в бесполезном гликолате, у растения имеется процесс, называемый фотодыханием. Это зависимое от света потребление кислорода с выделением углекислого газа, заметное лишь у C3-растений, не имеет ничего общего с обычным дыханием. Фотодыхание, в целом, идёт с поглощением энергии; в результате образуется фосфоглицерат, а 25 % углерода теряется в виде CO2. В фотодыхании участвуют хлоропласты, пероксисомы и митохондрии. У C4-растений фотодыхания практически нет, что и является причиной их большей продуктивности.
В связи с энергетической проблемой учёные пытаются провести фотосинтетические процессы искусственно, особенно их первые этапы, когда вода под действием солнечной радиации расщепляется на кислород и водород. Сжигание водорода (с образованием воды) – экологически чистый процесс, который мог бы стать неплохой заменой современным источникам энергии.
www.ebio.ru
ФОТОСИНТЕЗ - это... Что такое ФОТОСИНТЕЗ?
ФОТОСИНТЕЗ, химический процесс, возникающий в зеленых растениях, водорослях и многих бактериях, при котором вода и УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ превращаются в КИСЛОРОД и продукты питания растений при помощи энергии, поглощаемой из солнечного света. Существует две стадии фотосинтеза: СВЕТОВАЯ РЕАКЦИЯ и ТЕМНОВАЯ РЕАКЦИЯ. Эти реакции происходят в ХЛОРОПЛАСТАХ. В течение первой стадии процесса свет поглощается ХЛОРОФИЛЛАМИ и расщепляет воду на ВОДОРОД и кислород. Водород присоединяется к транспортным молекулам, кислород освобождается. Водород и энергия света создают запас клеточной химической энергии, АДЕНОЗИН ТРИФОСФАТ (АТФ). При темновой реакции водород и АТФ посредством процесса, называемого ЦИКЛОМ КАЛВИНА, превращают углекислый газ в сахара, включая глюкозу и крахмал. см. также АВТОТРОФ.
Фактически, вся жизнь на Земле зависит от энергии Солнца. Зеленые растения, водоросли и некоторые бактерии способны превращать эту энергию посредством фотосинтеза в химическую энергию, пригодную для использования. Сначала эта энергия накапливается в виде простых Сахаров— ежегодно путем фотосинтеза вырабатывается более 150 млрд. тонн сахара. У зеленых растений и водорослей фотосинтез происходит в хлоропластах, крошечных преобразователях солнечной энергии, находящихся внутри клеток растения. Хло-ропласты содержат зеленый пигмент хлорофилл, который поглощает свет. Затем энергия света проходит сквозь сложную цепь реакций и биохимических процессов, которые в конечном счете приводят к образованию простых органических соединений. В то же время вода расщепляется на составляющие, образуя газообразный кислород. Таким образом, кислород является побочным продуктом фотосинтеза. Сахара используются растениями в качестве источника дыхания, вырабатывающего химическую энергию в митохондриях. '•>!« шгршм. и чю»> очередь, питает биохимические (н-нкции, не обходимые для жизни и рост. Кроме гот, дыхание растений в качестве побочною продукта производит углекислый та (СО?), который затем опять может быть использован в фотосинтезе. Продукты фотосинтеза также представляют начальные стадии образования других простых органических молекул. Эти молекулы затем могут объединяться в более крупные молекулы, такие как белки, нуклеиновые кислоты и липиды, из которых состоит вся живая материя. Растения хранят продукты питания в форме сахарозы, соединения, состоящего из Сахаров глюкозы и фруктозы, а также крахмала.
Углекислый газ (COJ и вода являются неорганическим сырьем для фотосинтеза. Они поступают в фотосинтезирую-щие клетки различными пугя-иДА^ COj просто проходит сквозь поры в устьицах листа (1) и сквозь воздушные пустоты между клетками мезофилла листа (мякоти) (2). Вода, в свою очередь, поднимается от корней по системе сосудов кселемы (3). Продукты фотосинтеза, простые, растворимые в воде сахара, поступают в ситовидные трубки флоэмы и распространяются по всему растению (4). Фотосинтез в клетке растения происходит внутри структур, или органоидов, называемых хлоропластами (В). Каждый хлоропласт отделен от цитоплазмы двойной мембраной (1), которая окружает плотную жидкость, называемую промой (2). Внутренняя часть мембраны, врастая в строму, образует систему основных структурных единиц хлоро-пластов в виде плоских дис-ковидных мешков — тила-коидов. Группы тилакоидов, связанных друг с другом таким образом,что их полости оказываются непрерывными, образуют структуры (похожие на стопки монет), называемые гранами. Хлоропласту содержат фотосинтезирующие пигменты, основным из которых является хлорофилл. Этот пигмент поглощает свет, главным образом, синей, фиолетовой и красной части спектра. Зеленый свет не поглощается, т.к. он отражается от поверхности, что окрашивает листья в зеленый цвет. Фотосинтез включает комплекс химических реакций. Удобства ради их разделяют на зависящие от света реакции, происходящие в тилако-идной части мембраны, и независящие от света реакции, происходящие в строме. В зависящей от света реакции фотосинтеза (С) энергия солнечного света поглощается хлорофиллами и превращается сначала в электрическую, а затем в химическую энергию, которая временно «хранится» в соединениях аденозинтри-фосфата (АТФ) и никотина-мидадениндинуклеотидфос-фата (НАДФ-Н). Позднее эти соединения используются как источник энергии, питающей независимое от света превращение С02 в молекулы Сахаров. Все необходимое для зависящих от света реакций содержится на поверхности тилакоидов. Поглощающие свет пигменты, включая хлорофилл, сгруппированы в фотосистемы (1) на внешней стенке тилакои-да. Когда свет попадает на молекулу пигмента, один из электронов возбуждается и переносится через фотосистему к носителю электронов в мембране (2). Потеряв электрон, фотосистема приобретает положительный заряд. Затем она восполняет электроны в процессе разложения воды (Н20) (3), при котором также в тилакоид ный мешок (4) выпускается ион водорода (Н+), и освобождается газообразный кислород (OJ (5). Возбужденный электрон передается другому носителю в тилакоидной мембране: в этом процессе часть энергии расходуется на добавление Н* в ти-лакоидный мешок (6). Электрон переходит во вторую фотосистему (7). Здесь также поглощается свет, что увеличивает уровень энергии электрона. Повторно возбужденный электрон теперь проходит через другие носители электронов, отдавая часть своей энергии на образование НАДФ-Н из НАДО и ионов водорода (9). В результате концентрация Н* в ти-лакоидном мешке повышается в 1000 раз, что создает в строме химическое давление. Н+ может «просочиться» назад в строму только через стягивающие мембрану «турбины» — ферменты, синтезирующие АТФ (10). Когда Н+ проходит через них, начинается синтез АТФ из АДФ (аденозиндифос-фата) и фосфата, как в митохондриях клеток. Затем химические соединения АТФ и НАДФ-Н, обладающие большими запасами энергии, используются как источники энергии при образовании сахара в независимых от света реакциях, проходящих в строме (D). С02 участвует в образовании серии промежуточных соединений, используя накопленную энергию, до тех пор, пока, наконец, не получается сахар (1).
Научно-технический энциклопедический словарь.
dic.academic.ru
Фотосинтез
Значение термина Фотосинтез в Энциклопедии Научной Библиотеки
Фотосинтез - Образование высшими растениями сложных органических веществ из простых соединений - углекислого газа и воды - за счет световой энергии, поглощаемой хлорофиллом. Создаваемые в процессе фотосинтеза органические вещества необходимы растениям для построения их органов и поддержания жизнедеятельности.
Исходные вещества для фотосинтеза - углекислый газ, поступающий в листья из воздуха, и вода - представляют собой продукты полного окисления углерода (CO2) и водорода (h3O). В образуемых при фотосинтезе органических веществах углерод находится в восстановленном состоянии. При фотосинтезе система СO2 - Н2O, состоящая из окисленных веществ и находящаяся на низком энергетическом уровне, восстанавливается в менее устойчивую систему СН2O - O2, находящуюся на более высоком энергетическом уровне.
Из уравнения видно, что на получение одной грамм - молекулы глюкозы (С6НО6) расходуется световая энергия в количестве 2872,14 кДж, которая запасается в виде химической энергии. При этом в атмосферу выделяется свободный кислород.
Приведенное уравнение дает конкретное представление о начальных и конечных веществах, участвующих в фотосинтезе, но оно не вскрывает сущности очень сложного биохимического процесса.
История учения об углеродном питании растений насчитывает более 200 лет. В трактате «Слово о явлениях воздушных» М. В. Ломоносов в 1753 г. писал, что растение строит свое тело из окружающего его воздуха, поглощенного при помощи листьев. Однако открытие фотосинтеза связывают с именем английского химика Дж. Пристли, который в 1771 г. обнаружил, что на свету зеленые растения «исправляют» воздух, «испорченный» горением.
Последующими работами голландского ученого Я. Ингенхауза (1779, 1798 гг.), швейцарских Ж. Сенебье (1782, 1783 гг.) и
Н. Соссюра (1804 г.) было установлено, что на свету зеленые растения усваивают из окружающей атмосферы углекислый газ и выделяют кислород.
Важную роль в изучении фотосинтеза имели работы К. А. Тимирязева, который показал, что свет является источником энергии для синтеза органических веществ из углекислого газа и воды, и установил максимум поглощения хлорофилла в красной и сине - фиолетовой областях спектра. Дальнейшие исследования многих ученых с использованием современных методов позволили вскрыть многие звенья сложной цепи превращений веществ в растительном организме.
Было установлено, что фотосинтез протекает в двух фазах. Первая из них - световая, вторая - темновая. Первая фаза идет только на свету, тогда как вторая - с равным успехом как в темноте, так и на свету. Световая фаза протекает в зеленой фракции хлоропласта - гранах, а все превращения темновой фазы проходят в его бесцветной фракции - цитоплазматическом матриксе. Световая фаза характерна только для фотосинтезирующих клеток, тогда как большинство реакций, составляющих процесс фиксации углекислоты в темновой фазе, свойствен не только фотосинтезирующим клеткам.
Световая фаза фотосинтеза начинается с поглощения света пигментами. В химических реакциях световой фазы участвуют лишь молекулы хлорофилла а, находящиеся в активированном (за счет поглощения световой энергии) состоянии. Остальные пигменты - хлорофилл b и каротиноиды - улавливают свет с помощью особых систем, передают полученную энергию на молекулы хлорофилла а.
Важнейшая роль световой фазы состоит в построении молекулы АТФ (аденозинтрифосфата), в которой запасается энергия. Процесс образования АТФ в хлоропластах с затратой солнечной энергии называется циклическим фосфорилированием. При распаде АТФ до АДФ (аденозиндифосфата) выделяется около 40 кДж энергии.
Для восстановления молекулы НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) требуется два атома водорода, который получается из воды с помощью света. Активированный светом хлорофилл тратит свою энергию на разложение воды, превращается в инактивированную форму, при этом выделяются четыре атома водорода, которые используются в восстановительных реакциях, и два атома кислорода, поступающие в атмосферу.
Таким образом, первыми стабильными химическими продуктами световой реакции в растениях являются НАДФ - Н2 и АТФ.
В темновую фазу аминокислоты и белки образуются в цитоплазме.
Темновая фаза фотосинтеза служит продолжением световой фазы. В темновой фазе с участием АТФ и НАДФ - Н2 из углекислого газа строятся различные органические вещества. При этом НАДФ - Н2 выполняет в темновой фазе роль восстановителя, а АТФ служит источником энергии. Восстановитель окисляется до НАДФ, а от АТФ отщепляется один остаток фосфорной кислоты (Н3РO4) и получается АДФ. НАДФ и АДФ снова возвращаются из матрикса в граны, где в световой фазе снова преобразуются в НАДФ - Н2 и АТФ и все начинается сначала.
Последовательность реакций на пути превращения СO2 в сахар удалось выяснить благодаря применению радиоактивного углерода 14С. Было установлено, что в процессе фотосинтеза за несколько минут образуется большое число соединений. Однако когда время, отведенное на фотосинтез, сократили до 0,5 с, удалось обнаружить лишь трехуглеродное фосфорилированное соединение - трифосфоглицериновую кислоту (ФГК). Следовательно, ФГК - это первый стабильный продукт, образующийся из СO2 в процессе фотосинтеза. Оказалось, что первым веществом, которое соединяется с СO2 (акцептор СO2), является пятиуглеродное фосфорилированное соединение - рибулезодифосфат (РДФ), распадающееся после присоединения СO2 на две молекулы ФГК. Фермент, катализирующий эту реакцию, - РДФ - карбоксилаза - занимает в количественном отношении первое место среди белков, содержащихся в белковой ткани.
Фосфоглицериновая кислота восстанавливается до уровня альдегида за счет восстановительного потенциала НАДФ - Н2 и энергии АТФ.
Фосфоглицериновый альдегид, представляющий собой фосфорилированное соединение сахара, содержит только три атома углерода, тогда как простейшие сахара содержат шесть атомов углерода. Для того чтобы образовалась гексоза (простейший сахар), две молекулы фосфоглицеринового альдегида должны соединиться и полученный продукт - гексозодифосфат - должен подвергнуться дефосфорилированию.
Получившаяся гексоза может направляться либо на синтез сахарозы и полисахаридов, либо на построение любых других органических соединений клетки. Таким образом, сахар, образующийся в процессе фотосинтеза из СO2, - это основное органическое вещество, которое в клетках высших растений служит источником как энергии, так и необходимых клетке строительных белков.
факторы, влияющие на фотосинтез
Углекислый газ. Интенсивность фотосинтеза зависит от количества углекислого газа в воздухе. Обычно в атмосферном воздухе содержится 0,03 % СO2. Увеличение его содержания способствует повышению урожайности, что используют при выращивании растений в парниках, оранжереях, теплицах. Установлено, что наилучшие условия для фотосинтеза создаются при содержании СO2 около 1,0%. Повышение содержания СO2 до 5,0% способствует повышению интенсивности фотосинтеза, но в этом случае необходимо повысить освещенность.Количество СO2, усвоенное в единицу времени на единицу массы хлорофилла, называется ассимиляционным числом. Количество миллиграммов СO2, усвоенное за 1 ч на 1 дм2 листовой поверхности, называется интенсивностью фотосинтеза. Интенсивность фотосинтеза у различных видов растений неодинакова, изменяется она и с возрастом растений.
Свет. Растения поглощают 85 - 90 % попадающей на них световой энергии, но на фотосинтез идет только 1 - 5% от поглощенной световой энергии. Остальная энергия используется на нагрев растения и транспирацию.
Все растения по их отношению к интенсивности освещения можно разделить на две группы - светолюбивые и тенелюбивые. Светолюбивые требуют большей освещенности, теневыносливые - меньшей.
Вода. Обеспеченность растений водой имеет важное значение. Недостаточное насыщение клеток водой вызывает закрытие устьиц, а следовательно, снижает снабжение растений углекислым газом. Обезвоживание клеток нарушает деятельность ферментов.
Температурный режим. Наилучший температурный режим для большинства растений, при котором фотосинтез идет наиболее интенсивно, 20 - 30 °С. При понижении или повышении температуры фотосинтез замедляется. Хлорофилл в клетках растений образуется при температуре от 2 до 40 °С.
При благоприятном сочетании всех необходимых для фотосинтеза факторов растения наиболее активно накапливают органические вещества и выделяют кислород. Образующиеся в избытке продукты фотосинтеза - сахара - немедленно превращаются в высокополимерное запасное соединение - крахмал, откладывающийся в виде крахмальных зерен в хлоропластах и лейкопластах. Одновременно какая - то часть Сахаров выводится из пластид и перемещается в другие части растения. Крахмал может вновь расщепляться до Сахаров, которые, окисляясь в процессе дыхания, обеспечивают клетку энергией.
Таким образом, искусственно регулируя газовый состав атмосферы, обеспечивая растения светом, водой, теплом, можно повышать интенсивность фотосинтеза и, следовательно, увеличивать продуктивность растений. Именно на это направлены агротехнические приемы при возделывании сельскохозяйственных культур: обогащение почвы органическими веществами, обработка почвы, орошение, мульчирование, регулирование густоты посевов и др.читайте так-же
Статья «Фотосинтез» была прочитана 39093 разenc.sci-lib.com
