Під час світлової фази фотосинтезу утворюється. Фотосинтез та його фази (світлова та темнова)

Фотосинтез є складним біологічним процесом. Його вивчає наука біологія протягом багатьох років, але, як свідчить історія вивчення фотосинтезу, деякі етапи досі незрозумілі. У наукових довідниках послідовний опис цього процесу займає кілька сторінок. Мета цієї статті – описати таке явище, як фотосинтез, коротко і зрозуміло для дітей, у вигляді схем та пояснення.

Наукове визначення

Спочатку важливо дізнатися, що таке фотосинтез. У біології визначення звучить так: це процес утворення органічних речовин (їжі) з неорганічних (з вуглекислого газу та води) у хлоропластах за допомогою енергії світла.

Щоб зрозуміти це визначення, можна уявити досконалу фабрику – це будь-яка зелена рослина, яка є фотосинтетиком. «Паливом» для цієї фабрики є сонячне світло, рослини використовують воду, вуглекислий газ та мінералиВиробляти їжу майже для всіх форм життя на землі. Ця «фабрика» досконала, тому що вона, на відміну від інших заводів, не завдає шкоди, а, навпаки, в процесі виробництва виділяє в атмосферу кисень і поглинає вуглекислий газ. Як видно, для фотосинтезу потрібні певні умови.

Цей унікальний процес можна подати у вигляді формули або рівняння:

сонце + вода + вуглекислий газ = глюкоза + вода + кисень

Будова листя рослини

Щоб охарактеризувати сутність процесу фотосинтезу, необхідно розглянути будову листа. Якщо розглянути під мікроскопом, можна побачити прозорі клітини, в яких знаходяться від 50 до 100 зелених цяток. Це хлоропласти, де знаходиться хлорофіл – основний фотосинтетичний пігмент, і в яких здійснюється фотосинтез.

Хлоропласт схожий на маленьку сумочку, а всередині – сумочки ще менше. Вони називаються тілакоїдами. Молекули хлорофілу знаходяться на поверхні тилакоїдівта розташовані за групами, які називаються фотосистемами. У більшості рослин існує два види фотосистем (ФС): фотосистема і фотосистема II. До фотосинтезу здатні лише клітини, які мають хлоропласт.

Опис світлової фази

Які реакції відбуваються під час світлової фази фотосинтезу? У групі ФСII енергія сонячного світла віддається електронам молекули хлорофілу, внаслідок чого електрон заряджається, тобто «збуджується настільки», що вистрибує з групи фотосистеми і «підхоплюється» молекулою-переносником мембрани тилакоїда. Цей електрон переходить від переносника до переносника, доки не розрядиться. Після цього він може використовуватись в іншій групі ФСІ для заміни електрона.

У групі фотосистеми II бракує електрона, та тепер вона позитивно заряджената вимагає новий електрон. Але де ж взяти такий електрон? Область групи, відома як комплекс виділення кисню, чекає безтурботно «прогуливающуюся» молекулу води.

У молекулу води входить один атом кисню та два атоми водню. Комплекс виділення кисню у ФСII має марганцю чотири іони, які забирають електрони в атомів водню. В результаті відбувається розщеплення молекули води на два позитивні іони водню, два електрони та один атом кисню. Молекули води розщеплюються, Атоми кисню розподіляються по парах, утворюючи при цьому молекули газу кисню, який повертає рослину в повітря. Іони водню починають збиратися в сумочці тилакоїда, звідси рослина зможе їх використовувати, а за допомогою електронів вирішується проблема втрати у комплексі ФС II, який готовий повторити цей цикл багато разів на секунду.

У тилакоїдному мішечку відбувається скупчення іонів водню, і вони починають шукати вихід. Два іони водню, що утворюються завжди при розпаді молекули води, це далеко не все: проходячи шлях з комплексу ФС II комплекс ФС I, електрони притягують в мішечок та інші іони водню. Потім ці іони накопичуються в тілакоїді. Як їм звідти вибратись?

Виявляється, у них є "турнікет" з одним виходом - фермент, який використовується при виробленні клітинного "палива", званого АТФ (аденозінтріфосфат). Проходячи через цей турнікет, іони водню надають енергію, яка необхідна для перезарядки вже використовуваних молекул АТФ. Молекули АТФ – це клітинні «батареї». Вони віддають енергію реакцій усередині клітини.

При збиранні цукру потрібна ще одна молекула. Вона називається НАДФ (нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат). Молекули НАДФ - це «вантажівки», кожен із них доставляє атомом водню до ферменту молекули цукру. Утворення НАДФ відбувається у комплексі ФС I. Поки що фотосистема (ФС II) розщеплює молекули водита створює з них АТФ, фотосистема (ФС I) поглинає світло та видає електрони, які потім будуть потрібні при утворенні НАДФ. Молекули АТФ і НАДФ знаходяться на зберіганні у стромі і потім будуть використані для утворення цукру.

Продукти світлової фази фотосинтезу:

• кисень
• НАДФ*Н 2

Схема нічної фази

Після світлової фази відбувається темнова стадія фотосинтезу. Вперше цю фазу відкрив Кальвін. Згодом це відкриття було названо з3 – фотосинтезом. У деяких видів рослин спостерігається вид фотосинтезу – с4.

У процесі фотосинтезу світлової фази цукор не виготовляється. При світлі утворюється лише АТФ та НАДФ. Ферменти використовуються в стромі (просторі поза тилакоїдом)для виробництва цукру. Хлоропласт можна порівняти з фабрикою, на якій бригади (ФС I та ФС II) усередині тилакоїда виробляють вантажівки та батареї (НАДФ та АТФ) для роботи третьої бригади (особливих ферментів) строми.

Ця бригада утворює цукор шляхом приєднання атомів водню та молекули вуглекислого газу завдяки хімічним реакціям, використовуючи при цьому ферменти, що знаходяться у стромі. Усі три бригади працюють вдень, а «цукрова» і вдень, і вночі, до того часу, поки не витратиться АТФ і НАДФ, які залишилися після денної зміни.

У стромі багато атомів та молекул з'єднуються за допомогою ферментів. Деякі ферменти - це молекули білка, що мають особливу форму, і це дозволяє їм брати атоми або молекули, які потрібні для певної реакції. Після того як станеться з'єднання, фермент відпускаєновостворену молекулу і такий процес повторюється постійно. У стромі ферменти пускають по ланцюжку молекули цукру, які зібрали, перебудовують їх, заряджають за допомогою АТФ, приєднують вуглекислоту, додають водень, потім відправляють тривуглецевий цукор в іншу частину клітини, де його перетворюють на глюкозу та безліч інших речовин.

Отже, темнова фаза характеризується утворенням молекул глюкози. А із глюкози синтезуються вуглеводи.

Фотосинтез світлова та темнова фази (таблиця)

Роль у природі

Яке значення фотосинтезу в природі? Можна сміливо сказати, що життя Землі залежить від фотосинтезу.

• З його допомогою рослини виробляють кисень, який необхідний для дихання.
• У процесі дихання виділяється вуглекислий газ. Якби його не поглинали рослини, то в атмосфері виник парниковий ефект. З появою парникового ефекту може змінюватися клімат, танути льодовики, внаслідок чого може затопити багато земельних ділянок.
• Процес фотосинтезу допомагає живити всі живі істоти, і навіть здійснює постачання людства паливом.
• Завдяки кисню, що виділяється за допомогою фотосинтезу у вигляді киснево-озонового екрану атмосфери відбувається захист всього живого від ультрафіолетового випромінювання.

Пояснення такого об'ємного матеріалу, яким є фотосинтез, краще проводити на двох спарених уроках – тоді не втрачається цілісність сприйняття теми. Урок необхідно розпочати з історії вивчення фотосинтезу, будови хлоропластів та проведення лабораторної роботи з вивчення хлоропластів аркуша. Після цього необхідно перейти до вивчення світлової та темнової фаз фотосинтезу. При поясненні реакцій, які у цих фазах, необхідно скласти загальну схему:

Під час пояснення треба намалювати схему світлової фази фотосинтезу.

1. Поглинання кванта світла молекулою хлорофілу, що знаходиться в мембранах тилакоїдів гран, призводить до втрати нею одного електрона та переводить її у збуджений стан. Електрони переносяться електронно-транспортним ланцюгом, що призводить до відновлення НАДФ + до НАДФ Н.

2. Місце електронів, що вийшли в молекулах хлорофілу займають електрони молекул води - так вода під дією світла піддається розкладанню (фотолізу). Утворені гідроксили ОН- стають радикалами і об'єднуються в реакції 4 ОН - → 2 H 2 O + O 2 , що призводить до виділення в атмосферу вільного кисню.

3. Іони водню Н+ не проникають через мембрану тилакоїда і накопичуються всередині, заряджаючи його позитивно, що призводить до збільшення різниці електричних потенціалів (РЕП) на мембрані тилакоїду.

4. При досягненні критичної РЕП протони спрямовуються протонним каналом назовні. Цей потік позитивно заряджених частинок використовується отримання хімічної енергії з допомогою спеціального ферментного комплексу. Молекули АТФ, що утворилися в результаті, переходять у строму, де беруть участь у реакціях фіксації вуглецю.

5. Іони водню, що вийшли на поверхню мембрани тилакоїда, з'єднуються з електронами, утворюючи атомарний водень, що йде на відновлення переносника НАДФ+.

Спонсор публікації статті група компаній "Аріс". Виробництво, продаж та оренда будівельних лісів (рамні фасадні ЛРСП, рамні висотні А-48 та ін.) та вишок-тур (ПСРВ "Аріс", ПСРВ "Аріс компакт" та "Аріс-дачна", помости). Хомути для будівельних риштувань, будівельні огорожі, колісні опори для вишок. Дізнатися докладніше про компанію, переглянути каталог продукції та ціни, контакти Ви зможете на сайті, який знаходиться за адресою: http://www.scaffolder.ru/.

Після розгляду цього питання, проаналізувавши його вкотре за складеною схемою, пропонуємо учням заповнити таблицю.

Таблиця. Реакції світлової та темнової фаз фотосинтезу

Після заповнення першої частини таблиці можна перейти до аналізу темнової фази фотосинтезу.

У стромі хлоропласту постійно присутні пентози - вуглеводи, що є п'ятивуглецевими сполуками, які утворюються в циклі Кальвіна (цикл фіксації вуглекислого газу).

1. До пентози приєднується вуглекислий газ, утворюється нестійка шестивуглецева сполука, яка розпадається на дві молекули 3-фосфогліцеринової кислоти (ФГК).

2. Молекули ФГК приймають від АТФ по одній фосфатній групі та збагачуються енергією.

3. Кожна з ФГК приєднує по одному атому водню від двох переносників, перетворюючись на тріозу. Тріози, об'єднуючись, утворюють глюкозу, а потім крохмаль.

4. Молекули тріози, об'єднуючись у різних поєднаннях, утворюють пентози і знову входять у цикл.

Сумарна реакція фотосинтезу:

Схема. Процес фотосинтезу

Тест

1. Фотосинтез здійснюється в органелах:

а) мітохондрії;
б) рибосоми;
в) хлоропласти;
г) хромопласти.

2. Пігмент хлорофіл зосереджений у:

а) оболонці хлоропласту;
б) стромий;
в) гранах.

3. Хлорофіл поглинає світло в області спектру:

а) червоний;
б) зеленою;
в) фіолетовий;
г) у всій області.

4. Вільний кисень при фотосинтезі виділяється при розщепленні:

а) вуглекислого газу;
б) АТФ;
в) НАДФ;
г) води.

5. Вільний кисень утворюється в:

а) темновій фазі;
б) світлової фази.

6. У світловій фазі фотосинтезу АТФ:

а) синтезується;
б) розщеплюється.

7. У хлоропласті первинний вуглевод утворюється в:

а) світлової фази;
б) темнову фазу.

8. НАДФ у хлоропласті необхідний:

1) як пастка для електронів;
2) як фермент для утворення крохмалю;
3) як складова частина мембрани хлоропласту;
4) як фермент для фотолізу води.

9. Фотоліз води – це:

1) накопичення води під впливом світла;
2) дисоціація води на іони під впливом світла;
3) виділення водяної пари через устячка;
4) нагнітання води у листі під дією світла.

10. Під впливом квантів світла:

1) хлорофіл перетворюється на НАДФ;
2) електрон залишає молекулу хлорофілу;
3) хлоропласт збільшується обсягом;
4) хлорофіл перетворюється на АТФ.

ЛІТЕРАТУРА

Богданова Т.П., Солодова Є.А.Біологія Довідник для старшокласників та вступників до вузів. - М.: ТОВ «АСТ-Прес школа», 2007.

ВИЗНАЧЕННЯ: Фотосинтез - це процес утворення органічних речовин з вуглекислого газу та води, на світлі, з виділенням кисню.

У процесі фотосинтезу беруть участь:

1) хлоропласти,

3) вуглекислий газ,

5) температура.

У вищих рослин фотосинтез відбувається у хлоропластах – пластидах (напівавтономні органели) овальної форми, що містять пігмент хлорофіл, завдяки зеленому кольору якого частини рослини також мають зелений колір.

У водоростей хлорофіл міститься в хроматофорах (пігментовмісні та світловідбивні клітини). У бурих і червоних водоростей, що мешкають на значній глибині, куди погано доходить сонячне світло, є інші пігменти.

Якщо подивитися на харчову піраміду всіх живих істот, фотосинтезують організми в самому її низу, у складі автотроф (організмів, що синтезують органічні речовини з неорганічних). Тому є джерелом їжі для всього живого на планеті.

При фотосинтезі кисень виділяється в атмосферу. У верхніх шарах атмосфери з нього утворюється озон. Озоновий екран захищає поверхню Землі від жорсткого ультрафіолетового випромінювання, завдяки чому життя вийшло з моря на сушу.

Кисень необхідний для дихання рослин та тварин. При окисленні глюкози за участю кисню в мітохондріях запасається майже в 20 разів більше енергії, ніж без нього. Це робить використання їжі набагато більш ефективним, що призвело до високого рівня обміну речовин у птахів та ссавців.

Більш детальний опис процесу фотосинтезу рослин

Хід фотосинтезу:

Процес фотосинтезу починається з потрапляння світла на хлоропласти – внутрішньоклітинні напівавтономні органели, які містять зелений пігмент. Під дією світла хлоропласти починають споживати воду з ґрунту, розщеплюючи її на водень та кисень.

Частина кисню виділяється в атмосферу, інша частина йде на окислювальні процеси у рослині.

Цукор з'єднується з азотом, сіркою і фосфором, що надходять з ґрунту, таким чином зелені рослини виробляють крохмаль, жири, білки, вітаміни та інші складні сполуки, необхідні для їхнього життя.

Найкраще фотосинтез йде під впливом сонячного світла, проте деякі рослини можуть задовольнятися штучним освітленням.

Складний опис механізмів фотосинтезу для просунутого читача

До 60-х років 20 століття вченим був відомий лише один механізм фіксації вуглекислого газу - С3-пентозофосфатним шляхом. Проте нещодавно група австралійських учених змогла довести, що деякі рослини відновлення вуглекислого газу відбувається за циклом C4-дикарбонових кислот.

У рослин з реакцією С3 фотосинтез найбільш активно відбувається в умовах помірної температури та освітленості, в основному, у лісах та у темних місцях. До таких рослин відносяться майже всі культурні рослини і більшість овочів. Вони становлять основу раціону людини.

У рослин з реакцією С4 фотосинтез найбільш активно відбувається в умовах високих температур і освітленості. До таких рослин відносяться, наприклад, кукурудза, сорго та цукрова тростина, які виростають у теплому та тропічному кліматі.

Сам метаболізм рослин був виявлений зовсім недавно, коли вдалося з'ясувати, що в деяких рослин, що мають спеціальні тканини для запасу води, вуглекислий газ накопичується у формі органічних кислот і фіксується у вуглеводах лише за добу. Такий механізм допомагає рослинам заощаджувати запаси води.

Як відбувається процес фотосинтезу

Рослина поглинає світло за допомогою зеленої речовини, яка називається хлорофілом. Хлорофіл міститься в хлоропластах, які знаходяться в стеблах або плодах. Особливо велика їх кількість у листі, тому що через свою дуже плоску структуру листок може притягнути багато світла, відповідно, отримати набагато більше енергії для процесу фотосинтезу.

Після поглинання хлорофіл знаходиться у збудженому стані та передає енергію іншим молекулам організму рослини, особливо тим, які безпосередньо беруть участь у фотосинтезі. Другий етап процесу фотосинтезу проходить вже без обов'язкової участі світла і полягає у отриманні хімічного зв'язку за участю вуглекислого газу, що отримується з повітря та води. На цій стадії синтезуються різні дуже корисні для життєдіяльності речовини, такі як крохмаль та глюкоза.

Ці органічні речовини використовують самі рослини харчування різних його частин, і навіть підтримки нормальної життєдіяльності. Крім того, ці речовини також отримують тварини, харчуючись рослинами. Люди теж отримують ці речовини, вживаючи продукти тваринного і рослинного походження.

Умови для фотосинтезу

Фотосинтез може відбуватися під дією штучного світла, і сонячного. Як правило, на природі рослини інтенсивно «працюють» у весняно-літній період, коли необхідного сонячного світла багато. Восени світла менше, день коротшає, листя спочатку жовтіє, а потім опадає. Але варто з'явитися весняному теплому сонцю, як зелене листя знову з'являється і зелені «фабрики» знову відновлять свою роботу, щоб давати кисень, такий необхідний для життя, а також безліч інших поживних речовин.

Альтернативне визначення фотосинтезу

Фотосинтез (від грец. фот- світло і синтез - з'єднання, складання, зв'язування, синтез) - процес перетворення енергії світла в енергію хімічних зв'язків органічних речовин на світлі фотоавтотрофами за участю фотосинтетичних пігментів (хлорофіл у рослин, бактеріохлорофіл і бактеріородопсин у ). У сучасній фізіології рослин під фотосинтезом найчастіше розуміється фотоавтотрофна функція - сукупність процесів поглинання, перетворення та використання енергії квантів світла у різних ендергонічних реакціях, у тому числі перетворення вуглекислого газу на органічні речовини.

Фази фотосинтезу

Фотосинтез – процес досить складний і включає дві фази: світлову, яка завжди відбувається виключно на світлі, та темнову. Всі процеси відбуваються всередині хлоропластів на спеціальних дрібних органах - тілакодіах. У ході світлової фази хлорофілом поглинається квант світла, внаслідок чого утворюються молекули АТФ та НАДФН. Вода при цьому розпадається, утворюючи іони водню та виділяючи молекулу кисню. Виникає питання, що це за незрозумілі загадкові речовини: АТФ та НАДН?

АТФ - це особливі органічні молекули, які є у всіх живих організмів, їх часто називають "енергетичною" валютою. Саме ці молекули містять високоенергетичні зв'язки і є джерелом енергії за будь-яких органічних синтезів і хімічних процесів в організмі. Ну, а НАДФН – це власне джерело водню, що використовується безпосередньо при синтезі високомолекулярних органічних речовин - вуглеводів, що відбувається у другій темновій фазі фотосинтезу з використанням вуглекислого газу.

Світлова фаза фотосинтезу

У хлоропластах міститься дуже багато молекул хлорофілу, і всі вони поглинають сонячне світло. Водночас світло поглинається й іншими пігментами, але вони не вміють здійснювати фотосинтез. Сам процес відбувається лише в деяких молекулах хлорофілу, яких зовсім небагато. Інші молекули хлорофілу, каротиноїдів та інших речовин утворюють особливі антенні, а також світлозбиральні комплекси (ССК). Вони, як антени, поглинають кванти світла і передають збудження у спеціальні реакційні центри чи пастки. Ці центри знаходяться у фотосистемах, яких у рослин дві: фотосистема II і фотосистема I. Вони мають особливі молекули хлорофілу: відповідно у фотосистемі II - P680, а фотосистемі I - P700. Вони поглинають світло саме такої довжини хвилі (680 та 700 нм).

За схемою зрозуміліше, як усе виглядає і відбувається під час світлової фази фотосинтезу.

На малюнку бачимо дві фотосистеми з хлорофілами Р680 і Р700. Також на малюнку показані переносники, якими відбувається транспорт електронів.

Отже: обидві молекули хлорофілу двох фотосистем поглинають квант світла та збуджуються. Електрон е-(на малюнку червоний) у них переходить на більш високий енергетичний рівень.

Збуджені електрони мають дуже високу енергію, вони відриваються і надходять у особливий ланцюг переносників, що знаходиться в мембранах тилакоїдів – внутрішніх структур хлоропластів. На малюнку видно, що з фотосистеми II від хлорофілу Р680 електрон переходить до пластохінону, а з фотосистеми I від хлорофілу Р700 – до ферредоксину. У самих молекулах хлорофілу дома електронів після їх відриву утворюються сині дірки з позитивним зарядом. Що робити?

Щоб заповнити нестачу електрона, молекула хлорофілу Р680 фотосистеми II приймає електрони від води, при цьому утворюються іони водню. Крім того, саме за рахунок розпаду води утворюється кисень, що виділяється в атмосферу. А молекула хлорофілу Р700, як видно з малюнка, заповнює нестачу електронів через систему переносників від фотосистеми ІІ.

Загалом, хоч би як було складно, саме так протікає світлова фаза фотосинтезу, її головна суть полягає у перенесенні електронів. Також на малюнку можна помітити, що паралельно транспорту електронів відбувається переміщення іонів водню Н+ через мембрану, і вони накопичуються всередині тилакоїда. Так як їх там стає дуже багато, вони переміщаються назовні за допомогою особливого фактора, що сполучає, який на малюнку помаранчевого кольору, зображений праворуч і схожий на гриб.

На завершення бачимо кінцевий етап транспорту електрона, результатом якого є утворення вищезгаданого з'єднання НАДН. А за рахунок перенесення іонів Н+ синтезується енергетична валюта – АТФ (на малюнку видно праворуч).

Отже, світлова фаза фотосинтезу завершена, в атмосферу виділився кисень, утворилися АТФ та НАДН. А що далі? Де обіцяна органіка? А далі настає темнова стадія, яка полягає головним чином у хімічних процесах.

Темнова фаза фотосинтезу

Для темнової фази фотосинтезу обов'язковим компонентом є вуглекислий газ – СО2. Тому рослина має постійно її поглинати з атмосфери. Для цієї мети на поверхні листа є спеціальні структури – продихи. Коли вони відкриваються, СО2 надходить саме всередину листа, розчиняється у воді та входить у реакцію світлової фази фотосинтезу.

У ході світлової фази у більшості рослин СО2 зв'язується з п'ятивуглецевою органічною сполукою (яка є ланцюжком з п'яти молекул вуглецю), внаслідок чого утворюються дві молекули тривуглецевої сполуки (3-фосфогліцеринова кислота). Т.к. первинним результатом є саме ці тривуглецеві сполуки, рослини з таким типом фотосинтезу отримали назву С3-рослин.

Подальший синтез у хлоропластах відбувається досить складно. У його кінцевому підсумку утворюється шестивуглецева сполука, з якої надалі можуть синтезуватися глюкоза, сахароза або крохмаль. У вигляді цих органічних речовин рослина накопичує енергію. При цьому в листі залишається лише невелика їх частина, яка використовується для його потреб, тоді як решта вуглеводів подорожує по всій рослині, надходить туди, де найбільше потрібна енергія - наприклад, точки зростання.

Найважливішим органічним процесом, без якого існування всіх живих істот нашої планети було під питанням, є фотосинтез. Що таке фотосинтез? відомо всім зі школи. Грубо кажучи, це процес утворення органічних речовин з вуглекислого газу та води, що відбувається на світлі та супроводжується виділенням кисню. Більш складне визначення звучить так: фотосинтез - процес перетворення світлової енергії в енергію хімічних зв'язків речовин органічного походження за участю фотосинтетичних пігментів. У сучасній практиці під фотосинтезом зазвичай розуміють сукупність процесів поглинання, синтезу та використання світла в ряді ендергонічних реакцій, однією з яких є перетворення вуглекислого газу на органічні речовини. А тепер давайте довідаємося докладніше, як протікає фотосинтез і на які фази цей процес ділиться!

Загальна характеристика

Хлоропласти, які є у кожної рослини, відповідають за фотосинтез. Що таке хлоропласти? Це овальні пластиди, які містять такий пігмент, як хлорофіл. Саме хлорофіл визначає зелене забарвлення рослин. У водоростей даний пігмент представлений у складі хроматофор - пігментовмісних світловідбиваючих клітин різної форми. Бурі та червоні водорості, що мешкають на значних глибинах, куди погано потрапляє сонячне світло, мають інші пігменти.

Речовини фотосинтезу входять до складу автотрофів - організмів, здатних синтезувати з неорганічних речовин органічні. Вони є найнижчим ступенем харчової піраміди, тому входять до раціону всіх живих організмів планети Земля.

Користь фотосинтезу

Навіщо потрібен фотосинтез? Кисень, що виділяється із рослин під час фотосинтезу, надходить в атмосферу. Піднімаючись у верхні шари, він утворює озон, який захищає земну поверхню від сильного сонячного випромінювання. Саме завдяки озоновому екрану живі організми можуть комфортно перебувати на суші. Крім того, як відомо, кисень потрібний для дихання живих організмів.

Хід процесу

Все починається з того, що у хлоропласти потрапляє світло. Під його впливом органели витягають із ґрунту воду, а також ділять її на водень та кисень. Таким чином, мають місце два процеси. Фотосинтез рослин починається в момент, коли листя вже ввібрало воду та вуглекислий газ. Світлова енергія акумулюється в тилакоїдах - спеціальних відсіках хлоропластів і ділить молекулу води на дві складові. Частина кисню йде на дихання рослини, а частина, що залишилася, - в атмосферу.

Потім вуглекислий газ потрапляє в піреноїди – білкові гранули, оточені крохмалем. Сюди надходить водень. Змішавшись один з одним, ці речовини утворюють цукор. Ця реакція також проходить із виділенням кисню. Коли цукор (узагальнююча назва простих вуглеводів) поєднується з азотом, сіркою та фосфором, що надходять у рослину з ґрунту, утворюється крохмаль (складний вуглевод), білки, жири, вітаміни та інші речовини, необхідні для життя рослин. У більшості випадків фотосинтез відбувається в умовах природного освітлення. Проте штучне освітлення також може у ньому взяти участь.

Аж до 60-х років ХХ століття науці був відомий один механізм відновлення вуглекислого газу - по С 3 -пентозофосфатному шляху. Нещодавно австралійські вчені довели, що у деяких видів рослин цей процес може протікати за циклом 4-дикарбонових кислот.

У рослин, які відновлюють вуглекислий газ С 3 шляху, фотосинтез найкраще проходить при помірній температурі і слабкій освітленості, в лісах або темних місцях. До таких рослин можна віднести левову частку культурних рослин і багато овочів, які становлять основу нашого раціону.

У другого класу рослин фотосинтез найактивніше протікає в умовах високої температури та сильної освітленості. У цю групу входять рослини, які ростуть у тропічному та теплому кліматі, наприклад кукурудза, цукрова тростина, сорго тощо.

Метаболізм рослин, до речі, був виявлений дуже недавно. Вченим удалося з'ясувати, що деякі рослини мають спеціальні тканини для збереження запасів води. Вуглекислий газ у них накопичується у вигляді органічних кислот і переходить у вуглеводи лише через 24 години. Цей механізм дає рослинам можливість заощадити воду.

Як відбувається процес?

Ми вже знаємо загалом, як протікає процес фотосинтезу і який фотосинтез буває, тепер давайте познайомимося з ним глибше.

Починається все з того, що рослина поглинає світло. Їй у цьому допомагає хлорофіл, який у вигляді хлоропластів розташовується у листі, стеблах та плодах рослини. Основна кількість цієї речовини сконцентрована саме в листі. Вся справа в тому, що завдяки своїй плоскій структурі лист притягує багато світла. А що більше світла, то більше енергії для фотосинтезу. Таким чином, листя в рослині виступає своєрідними локаторами, що вловлюють світло.

Коли світло поглинене, хлорофіл перебуває у збудженому стані. Він передає енергію іншим органам рослини, які беруть участь у наступній стадії фотосинтезу. Другий етап процесу протікає без участі світла і полягає у хімічній реакції за участю води, що одержується з ґрунту, та вуглекислого газу, що одержується з повітря. На цій стадії синтезуються вуглеводи, які украй необхідні для життя будь-якого організму. В даному випадку вони не тільки живлять саму рослину, а й передаються тваринам, які його з'їдають. Люди також отримують ці речовини, вживши продукти рослинного чи тваринного походження.

Фази процесу

Будучи досить складним процесом, фотосинтез поділяється на дві фази: світлову та темнову. Як можна зрозуміти із назви, для першої фази обов'язково наявність сонячного випромінювання, а для другої – ні. Під час світлової фази хлорофіл поглинає квант світла, утворюючи молекули АТФ та НАДН, без яких неможливий фотосинтез. Що таке АТФ та НАДН?

АТФ (аденозитрифосфат) - нуклеїновий кофермент, який містить високоенергетичні зв'язки і є джерелом енергії в будь-якому органічному перетворенні. З'єднання часто називають енергетичною волютою.

НАДН (нікотинамідаденіндінуклеотид) - джерело водню, який використовується для синтезу вуглеводів за участю вуглекислого газу в другій фазі такого процесу, як фотосинтез.

Світлова фаза

Хлоропласти містять багато молекул хлорофілу, кожна з яких поглинає світло. Його поглинають інші пігменти, але вони не здатні до фотосинтезу. Процес відбувається лише у частині молекул хлорофілу. Інші молекули утворюють антенні та світлозбиральні комплекси (ССК). Вони накопичують кванти світлового випромінювання та передають їх у реакційні центри, які також називають пастками. Реакційні центри розташовуються у фотосистемах, яких у фотосинтезуючої рослини дві. Перша містить молекулу хлорофілу, здатну поглинати світло з довжиною хвилі 700 нм, а друга – 680 нм.

Отже, два типи молекул хлорофілу поглинають світло та збуджуються, що сприяє переходу електронів на більш високий енергетичний рівень. Збуджені електрони, що мають велику кількість енергії, відриваються і надходять у ланцюг переносників, розташовану в мембранах тилакоїдів (внутрішні структури хлоропластів).

Перехід електронів

Електрон із першої фотосистеми переходить від хлорофілу Р680 до пластохінону, а електрон із другої системи - до ферредоксину. При цьому на місці відриву електронів у молекулі хлорофілу утворюється вільне місце.

Для відновлення недостачі молекула хлорофілу Р680 приймає електрони з води, утворюючи іони водню. А друга молекула хлорофілу заповнює нестачу через систему переносників від першої фотосистеми.

Так протікає світлова фаза фотосинтезу, суть якої полягає у перенесенні електронів. Паралельно до електронного транспорту проходить переміщення іонів водню через мембрану. Це призводить до накопичення всередині тилакоїда. Нагромаджуючись у великій кількості, вони вивільняються назовні за допомогою сполучного фактора. Результатом транспорту електронів є утворення з'єднання НАДН. А перенесення іона водню призводить до утворення енергетичної валюти АТФ.

Після закінчення світлової фази в атмосферу надходить кисень, а всередині пелюстки утворюються АТФ та НАДН. Потім починається темнова фаза фотосинтезу.

Темнова фаза

Для цієї фази фотосинтезу потрібний вуглекислий газ. Рослина постійно поглинає її з повітря. З цією метою на поверхні листка є продихи - спеціальні структури, які при відкриванні всмоктують вуглекислий газ. Вступаючи всередину листка, він розчиняється у воді і бере участь у процесах світлової фази.

Під час світлової фази у більшості рослин вуглекислий газ зв'язується з органічною сполукою, яка містить 5 атомів вуглецю. В результаті утворюється пара молекул тривуглецевої сполуки під назвою 3-фосфогліцеринова кислота. Саме через те, що первинним результатом процесу є дана сполука, рослини з таким типом фотосинтезу називають С 3 - рослинами.

Подальші процеси, що проходять у хлоропластах, дуже складні для недосвідчених обивателів. Зрештою виходить шестивуглецева сполука, що синтезує прості або складні вуглеводи. Саме у вигляді вуглеводів рослина накопичує енергію. Невелика частина речовин залишається у листі та виконує його потреби. Інші вуглеводи циркулюють по всій рослині і надходять у ті місця, де вони найбільше потрібні.

Фотосинтез взимку

Багато хто хоча б раз у житті ставив питання про те, звідки береться кисень в холодну пору року. По-перше, кисень виробляється як листяними рослинами, а й хвойними, і навіть морськими рослинами. І якщо листяні рослини взимку завмирають, то хвойні продовжують дихати, хоч і менш інтенсивно. По-друге, вміст кисню в атмосфері не залежить від того, чи скинули дерева своє листя. Кисень займає 21% атмосфери, у будь-якій точці нашої планети у будь-яку пору року. Ця величина не змінюється, оскільки повітряні маси переміщуються дуже швидко, а зима настає одночасно в усіх країнах. Ну і, по-третє, взимку в нижніх шарах повітря, які ми вдихаємо, вміст кисню навіть більший, ніж улітку. Причина цього явища - низька температура, через яку кисень стає щільнішим.

Висновок

Сьогодні ми згадали, що таке фотосинтез, що таке хлорофіл і як рослини виділяють кисень, поглинаючи вуглекислий газ. Безумовно, фотосинтез є найважливішим у нашому житті. Він нагадує нам про необхідність дбайливого ставлення до природи.

Фотосинтез – складний процес, що включає цілу систему хімічних реакцій. Він розтягнутий у часі і складається із двох фаз. Перша фаза проходить лише на світлі і називається світловою. Друга, темнова, фаза залежить від світлової енергії і здійснюється як у світлі, і у темряві.

На світлі

Світлова фаза починається з попадання квантів світла на молекули хлорофілу, що знаходяться всередині тилакоїдів – плоских мембранних цистерн дископодібної форми.

Мал. 1. Будова хлоропласту.

При цьому молекули хлорофілу переходять у збуджений стан та втрачають електрони. Замість втрачених електронів вони приєднують електрони молекул Н₂О або іонів ВІН.

Відбувається ініційоване хлорофілом розкладання води (фотоліз) та виділення газоподібного кисню. Одна молекула кисню утворюється із двох молекул води.

2Н₂О → 4Н⁺ + 4е¯ + О₂

ТОП-4 статтіякі читають разом з цією

Вільні електрони та водень проходять через складний ланцюг речовин-переносників та фіксуються у молекулах НАДФН₂.

Мал. 2. Схема світлової фази фотосинтезу.

За рахунок енергії збуджених електронів відбувається синтез молекул АТФ з АДФ і фосфорної кислоти.

Якщо кисень вважається побічним продуктом світлової фази, то АТФ може вважатися основним, тому що його енергія буде витрачена на утворення органічних речовин із ЗІ у темновій фазі.

Отже, енергія світла стає енергією хімічних зв'язків АТФ.

На світлі та у темряві

Реакції темнової фази протікають за межами тилакоїдів, у стромі хлоропласту, що є за своїми властивостями біоколоїдом.

Суть процесів цієї фази - у перетворенні атмосферного вуглекислого газу на різні органічні речовини.

С₃ та С₄ рослини

Існує два шляхи фотосинтезу, характерні для різних видів рослин. Більшість видів відноситься до С₃ – рослин. Це означає, що в них на першому етапі темнової фази утворюються тритомні вуглеводні:

СО₂ + рибулозодифосфат (РДФ) + Н₂О → 2 молекули фосфогліцеринової кислоти (ФГК).

РДФ: 5 атомів З. ФГК: 3 атоми З.

Органічні речовини утворюються не шляхом складання молекул СО₂, а при приєднанні СО₂ до вже наявних вуглеводів.

Таким чином, СО₂ як би залучається до внутрішньоклітинного обміну речовин рослини.

У С₄ – рослин відбувається утворення чотирихатомних кислот:

• яблучний;
• щавлеоцтової;
• аспарагінової.

С₄ – рослини мають тропічне походження та дуже світлолюбні. Це сорго, просо, кукурудза, цукрова тростина та ін.

Продукти першого етапу проходять цикл реакцій, утворюючи безліч речовин, що використовуються клітиною.

У всіх рослин темнова фаза закінчується утворенням глюкози, фруктози та інших шестиатомних вуглеводів.

Доведено, що при фотосинтезі синтезуються білки та інші продукти.

Мал. 3. Схема темнової фази фотосинтезу.

Ознаки фаз фотосинтезу, а також результати процесів, що йдуть в обох фазах, подаємо у таблиці:

Що ми дізналися?

Провівши порівняльну характеристику двох фаз фотосинтезу, ми визначили, що світлова фаза є підготовчою. У ході світлової фази утворюється кисень, запасається енергія у вигляді АТФ, накопичується водень. Темнова фаза використовує ресурси, отримані під час світлової фази і закінчується утворенням різноманітних органічних сполук.

Тест на тему

Оцінка доповіді

Середня оцінка: 4.6. Усього отримано оцінок: 102.