Фотосинтез необходим для всей жизни на Земле; от него зависят как растения, так и животные.
Это единственный биологический процесс, способный улавливать энергию солнечного света и преобразовывать ее в химические соединения (углеводы), которые каждый организм использует для поддержания своего метаболизма. Он также является источником кислорода, необходимого для многих живых организмов.
Короче говоря, энергия солнечного света "захватывается" для питания электронов, энергия которых затем накапливается в ковалентных связях молекул сахара. Насколько прочны и стабильны эти ковалентные узы? Энергия, получаемая сегодня при сжигании угля и нефтепродуктов, представляет собой солнечную энергию, улавливаемую и накапливаемую при фотосинтезе 350-200 миллионов лет назад в карбонатный период.
Растения, водоросли и группа бактерий под названием цианобактерии являются единственными организмами, способными осуществлять фотосинтез. Поскольку они используют свет для производства собственной пищи, их называют фотоавтотрофами.
Другие организмы, такие как животные, грибы и большинство других бактерий, называются гетеротрофами, поскольку для удовлетворения своих энергетических потребностей они должны полагаться на сахар, получаемый фотосинтетическими организмами.
Третья очень интересная группа бактерий синтезирует сахар, не используя энергию солнечного света, а извлекая энергию из неорганических химических соединений. По этой причине их называют химиоавтотрофами.
Важность фотосинтеза заключается не только в том, что он способен улавливать солнечную энергию. В конце концов, ящерица, загорающая сама в холодный день, может использовать солнечную энергию для разогрева в процессе, называемом поведенческой терморегуляцией. Фотосинтез, напротив, жизненно важен, поскольку он развивался как способ хранения энергии от солнечного излучения до энергии углеродных связей углеводородных молекул.
Эти углеводы являются источником энергии, используемым гетеротрофами для обеспечения синтеза АТФ через дыхание. Таким образом, фотосинтез обеспечивает питание 99% экосистем Земли. Когда хищник, такой как волк, охотится на оленя, волк находится в конце энергетического пути, который проходит от ядерных реакций на поверхности солнца к видимому свету, к фотосинтезу, к растительности, к оленю и, наконец, к волку.
Основные структуры фотосинтеза
Фотосинтез - это многоступенчатый процесс, требующий особых длин волн видимого солнечного света, диоксида углерода (с низким содержанием энергии) и воды в качестве субстратов. После завершения процесса высвобождается кислород и образуется глицеральдегид-3-фосфат (GA3P), а также простые молекулы углеводов (с высоким содержанием энергии), которые затем могут быть преобразованы в глюкозу, сахарозу или любую из десятков других молекул сахара.
Эти молекулы сахара содержат энергию и активированный углерод, которые необходимы всем живым существам для выживания. Хотя уравнение выглядит простым, многие этапы фотосинтеза достаточно сложны. Прежде чем детально изучить, как фотоавтотрофы превращают солнечный свет в пищу, важно ознакомиться с соответствующими структурами.
В растениях фотосинтез обычно происходит в листьях, состоящих из нескольких слоев клеток. Процесс фотосинтеза происходит в среднем слое, называемом мезофиллом. Газовый обмен углекислого газа и кислорода происходит через небольшие регулируемые отверстия, называемые стоматами (единственное число - стома), которые также играют роль в регулировании газового обмена и водного баланса. Животные обычно располагаются на нижней стороне листа, что позволяет минимизировать потери воды из-за высоких температур на верхней поверхности листа. Каждая стома окружена защитными клетками, которые регулируют открытие и закрытие стоматологии путем набухания или сжатия в ответ на осмотические изменения.
Во всех автотрофических эукариотах фотосинтез происходит внутри органеллы, называемой хлоропластом. Для растений хлоропласт-содержащие клетки в основном содержатся в мезофилле. Хлоропласты имеют двойную мембранную оболочку (состоящую из наружной и внутренней мембран) и являются наследственными продуктами древних свободноживущих цианобактерий. Внутри хлоропласта уложены дискообразные структуры, называемые тилакоидами. В тилакоидную мембрану встроен хлорофилл - пигмент (молекула, поглощающая свет), отвечающий за первоначальное взаимодействие света и растительного материала, и многочисленные белки, составляющие транспортную цепь электронов.
Мембрана тилакоида окружает внутреннее пространство, называемое тилакоидным люменом. Стопка тилакоидов называется гранулой, а заполненное жидкостью пространство вокруг гранулы - стромой или "кроватью" (не путать со стомой или "ртом", отверстием в эпидермисе листа).
Два этапа фотосинтеза
Фотосинтез происходит в два последовательных этапа: светонезависимые реакции и светозависимые реакции.
- В светозависимых реакциях энергия солнечного света поглощается хлорофиллом, и эта энергия преобразуется в запасаемую химическую энергию.
- В светонезависимых реакциях химическая энергия, собранная в ходе светонезависимых реакций, приводит к образованию молекул сахара из углекислого газа.
Поэтому, хотя в светонезависимых реакциях в качестве реактива свет не используется, для их функционирования требуются продукты светонезависимых реакций. Кроме того, свет активирует несколько ферментов светонезависимых реакций. В светозависимых реакциях для временного хранения энергии используются определенные молекулы: Они называются энергоносителями.
Энергоносители, которые перемещают энергию от светонезависимых реакций к светонезависимым реакциям, можно считать "полными", потому что они богаты энергией. После высвобождения энергии "пустые" энергоносители возвращаются к световой реакции, чтобы получить больше энергии.
