Под фотосинтезом понимают процесс, в котором растения на солнечном свету синтезируют органические соединения из неорганических. Фотосинтез – единственный на Земле процесс, с помощью которого космическая энергия солнечного света трансформируется в энергию химических связей органических соединений, составляющих основу для жизнедеятельности всех гетеротрофных организмов – от бактерий до человека.
Фотосинтетический аппарат растения. Специализированным органом воздушного питания растений является лист, который представляет собой уникальную структуру для поглощения и преобразования энергии света в ходе фотосинтеза. В функции листа также входят газообмен, транспирация, терморегуляция, синтез ряда органических соединений, например гормонов, которыми снабжается всё растение. Важнейшей тканью листа, в которой протекает процесс фотосинтеза, является хлоренхима, состоящая из содержащих хлоропласты паренхимных клеток. Хлоренхима расположена между слоями эпидермиса и проводящими пучками. Лист покрыт эпидермой, клетки которой не содержат хлоропластов. Эпидерма не только защищает ткани листа от внешних воздействий, но также регулирует газообмен и транспирацию через устьица, ограниченные двумя замыкающими клетками.
Пигменты хлоропластов. Ту область электромагнитного спектра, которая видима человеческим глазом, называют светом, а световые кванты – фотонами. Свет охватывает область с длиной волны 400 – 700нм. Все фотосинтезирующие организмы содержат пигменты, способные поглощать видимый свет и переходить в возбужденное состояние, запуская тем самым химические реакции фотосинтеза. Именно хлорофиллы придают растениям характерный зеленый цвет. Из большого числа фотосинтетических пигментов только два – хлорофилл а и бактериохлорофилл а прекрасно приспособлены не только для поглощения, но также и для преобразования энергии света. Все остальные пигменты участвуют только в процессах поглощения и миграции энергии. Молекула хлорофилла состоит из порфириновой «головки» и фитольного «хвоста». При этом порфириновая часть молекулы находится на поверхности мембраны тилакоида и связана с белками, а жирорастворимая фитольная цепь погружена в липидный слой. Хлорофилл представляет собой сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина, у которой одна карбоксильная группа этерифицирована остатком метилового спирта, а вторая - остатком спирта фитола. Хлорофиллы имеют два максимума поглощения света – в синей (430 – 460 нм) и красной (650 – 700 нм) областях спектра. Структура хлорофилла очень хорошо приспособлена для того, чтобы служить посредником в фотохимических процессах в ходе фотосинтеза. Хлорофилл является хорошим сенсибилизатором – легко возбуждается при поглощении света и обладает способностью передавать энергию (служить донором энергии) другим молекулам (акцепторам энергии). Возбужденная светом молекула хлорофилла приобретает способность участвовать в окислительно – восстановительных процессах, т.е. отдавать или принимать электроны.
Темновые и световые реакции фотосинтеза. Световая стадия фотосинтеза состоит из трех этапов и включает фотофизические и фотохимические процессы. На первом этапе энергия света поглощается, переходит в энергию электронного возбуждения пигментов и передаётся в реакционный центр фотосистем. На втором фотохимическом этапе энергия электронного возбуждения пигментов используется для разделения зарядов в реакционном центре фотосистем. В фотосистеме ǁ, например, электроны с высоким энергетическим потенциалом от возбужденных пигментов передаются на первичный акцептор феофетин. Пигменты при этом приходят в окисленное состояние и приобретают способность отнимать электроны у белков кислород выделяющего комплекса. Разделение зарядов в реакционном центре фотосистем является центральным событием фотосинтеза, поскольку именно в этом процессе происходит преобразование физической формы энергии в химическую. На третьем этапе световой стадии фотосинтеза включаются биохимические процессы, в ходе которых образуется сильный восстановитель НАДФН, синтезируется АТФ, а при фотоокислении воды в виде побочного продукта выделяется кислород.
Одним из важнейших эволюционных «приобретений» живой природы является способность фотосинтезирующих организмов окислять воду с выделением молекулярного кислорода за счет энергии солнечного света.
Лист высших растений поглощает свет в красной и синей областях спектра, а отражает зеленые лучи. Большая часть (60%) попадающего на лист солнечного излучения не может участвовать в фотохимических процессах, поскольку имеет длину волны, которая не поглощается пигментами листа. Из оставшихся 40% фотосинтетически активных лучей солнечного спектра длинойволны 400 – 700нм, часто называемых фотосинтетически активной радиацией (ФАР), 8% отражается поверхностью и проходит через лист, 8% рассеивается рассеивается в виде тепла, 19% тратистся (как тепловая энергия) на процессы, непосредственно не связанные с фотосинтезом, и только 5% попадающей на лист солнечной энергии превращается в энергию химических связей углеводов.