Фотосинтез лежит в основе жизни на Земле: благодаря этому процессу образуется кислород. Он происходит в листьях и стеблях растений, а основные «драйверы» — солнечный свет, вода и углекислый газ. Рассказываем, что такое фотосинтез, как он происходит и чем важен для всей экосистемы планеты.
Эксперты в материале:
Что такое фотосинтез
Фотосинтез — это процесс, при котором растения, водоросли и цианобактерии преобразуют углекислый газ и воду в органические вещества (глюкозу), выделяя кислород [1]. Растениям фотосинтез нужен для роста и развития, а образующийся при этом кислород необходим для жизни человеку и другим дышащим существам на планете. В основе фотосинтеза лежит поглощение света. В листьях и стеблях растений за это отвечают специальные пигменты, чаще всего — хлорофилл, который придает им зеленый цвет.
Кто открыл фотосинтез
Первым шагом к открытию фотосинтеза стала серия экспериментов Джозефа Пристли в XVIII веке. В 1771 году он обнаружил, что растение, помещенное в «испорченный» воздух, со временем делает его снова пригодным для дыхания животных [2]. Например, он посадил мышь в банку, где только что потухла свеча. Животное очень быстро умерло. Затем он поместил туда растение, и оно продолжило расти. Помещенная вслед в ту же банку мышь выжила. Так он пришел к выводу, что растение может «очистить» воздух.
Ряд ученых пытались повторить его опыты и обнаружили, что в процессе также должен участвовать и солнечный свет. Иначе «очищения» воздуха не происходит. В XIX веке немец Юлиус Сакс смог рассчитать пропорцию: из единицы углекислого газа получается столько же кислорода. Позже, в середине XX века, ученый Мелвин Кальвин с помощью радиоактивных меток подробно изучил преобразование энергии света и описал его последовательные этапы.
Все эти открытия помогли понять роль растений в жизни планеты и химическую суть процесса. Изучение этого природного явления продолжается и в настоящее время. В 2011 году ученые смогли детально изучить, как вода в растениях превращается в кислород [3]. Происходит это с помощью ионов марганца, которые собирают и передают энергию света, «разбивая» молекулу воды на кислород, протоны и электроны. Исследование не только раскрывает детали фотосинтеза, но и дает подсказки для будущих разработок в области солнечной энергетики и синтетических аналогов природы.
Недавние исследования показали, как глобальное потепление влияет на процесс фотосинтеза. В частности, наземные растения за последние 20 лет стали активнее поглощать углекислый газ, а океанические водоросли, особенно в тропических зонах, снизили свою «продуктивность». Эта тенденция может представлять опасность для некоторых пищевых цепей, считают ученые [4].
Формула фотосинтеза
Общая формула фотосинтеза у зеленых растений выглядит так:
Интересный факт: способностью к фотосинтезу обладают не все живые организмы. В основном это растения, водоросли и цианобактерии, говорит Сергей Подковальников, биолог, преподаватель, популяризатор науки и образования. Животные, как правило, не умеют проводить фотосинтез, хотя есть удивительные исключения, например морской слизень — моллюск Elysia chlorotica, рассказывает эксперт. Этот моллюск «крадет» хлоропласты, поедая водоросли, и использует их для получения энергии от света.
Где происходит фотосинтез
Фотосинтез происходит в растительных тканях, которые содержат хлоропласты — особые структуры в клетках листа, стеблей или даже видимых частях корней. Они работают как «зеленая фабрика», а их строение выглядит следующим образом [5].
- Оболочка. Хлоропласт покрывает двойная оболочка (как пленка в два слоя): внешняя и внутренняя мембраны. Они отделяют «фабрику» от остальной клетки и пропускают нужные вещества внутрь и наружу.
- Строма. Внутри оболочки тягучая жидкость, как желе. Это место, где происходит часть химических реакций (темновая фаза).
- Тилакоиды. Это маленькие зеленые диски, собранные в стопки, или граны. Внутри них содержится зеленый пигмент хлорофилл, поглощающий свет. Здесь проходит световая фаза и появляется кислород.
- Хлорофилл. Это краситель, который делает лист зеленым. Он поглощает свет и запускает химические реакции внутри хлоропласта.
Процесс фотосинтеза
Фотосинтез — многоэтапный процесс. Главную роль в нем играет хлорофилл — зеленый пигмент, поглощающий фотоны света и запускающий химические перестройки внутри клетки. Фотосинтез происходит в две фазы:
- световая — идет только на свету;
- темновая — светозависимая фаза, может идти и в темноте, если есть накопленные вещества.
Каждый этап выполняет свою цепочку реакций: сначала запасается и преобразуется энергия (световая), потом формируется глюкоза из простых веществ (темновая). Для запуска реакции требуется ряд условий. Это источник энергии и вещество, способное уменьшать степень окисления, — восстановитель, говорит Александр Смирнов, кандидат биологических наук: «Сами по себе растения энергии содержат немного, а вот в глюкозе ее в избытке. Компенсировать этот энергетический дефицит помогает солнечный свет, неограниченный поставщик необходимой энергии.
Есть еще одна задача — изменение степени окисления углерода. В молекуле углекислого газа этот элемент максимально окислен, а в сахаре степень окисления намного меньше. Чтобы добиться нужного результата, требуется запас электронов, которые образуются из водорода, выделяющегося в ходе расщепления воды.
Таким образом, прежде чем синтезировать молекулы глюкозы, необходимо получить «расходные материалы» — энергию и восстановитель. Именно поэтому фотосинтез разделяется на две фазы».
Световая фаза фотосинтеза
В природе существует особый механизм преобразования солнечной энергии — это специальные комплексы в клетках зеленых организмов, которые называют фотосистемами [6]. Такие структуры состоят из белков и цветных молекул: зеленые пигменты — хлорофиллы, желто-оранжевые — каротиноиды. Они сгруппированы в мембранных «дисках», тилакоидах, внутри зеленых частиц — хлоропластов.
Хлорофилл захватывает красный свет, являющийся главным источником энергии для биохимических процессов, а каротиноиды «работают» с синим и зеленым излучением и передают накопленную энергию дальше по цепочке.
Фотосистема, в свою очередь, поставляет электроны с высокой энергией, которые вырабатывают водородные ионы. Дальше эти атомы соединяются со «спецтранспортом» — соединением НАДФ, чтобы участвовать в следующих этапах биосинтеза сахаров. Ключевые продукты светового этапа — АТФ и восстановленные водороды с НАДФ — используются для создания органических веществ в темновой фазе. Образующийся кислород нужен не только самим растениям, он становится основой дыхания для всего живого.
Процесс проходит так:
- хлорофилл захватывает фотоны света и передает их энергию электронам;
- молекула воды расщепляется на протоны, электроны и кислород, который выделяется в атмосферу;
- заряженные электроны двигаются по мембране, создавая разность потенциалов;
- образуются энергетические молекулы (АТФ) и восстановленный переносчик электронов (НАДФ·Н), которые нужны для следующего этапа.
Темновая фаза
Эта фаза проходит в строме — пространстве под внутренней мембраной хлоропласта. Образующиеся в процессе молекулы глюкозы превращаются либо в молекулы крахмала (запасной полисахарид), либо в молекулы сахарозы для транспорта по проводящей системе растения.
Процесс темновой фазы выглядит так:
- CO₂ из атмосферы связывается с пятиуглеродным веществом (рибулозодисфосфат), а реакцию катализирует фермент Рубиско;
- происходят последовательные преобразования, в ходе которых CO₂ с помощью энергии АТФ и восстановленной формы НАДФ·Н превращается в молекулы глюкозы, — это называется циклом Кальвина;
- готовая глюкоза откладывается про запас в виде крахмала;
- в результате этого этапа появляется та самая энергия и органика, которой питаются растения, животные и люди.
Значение фотосинтеза
- Образование кислорода: растения производят почти весь кислород на Земле, которым дышат люди и животные.
- Создание органических веществ: все разнообразие пищевых цепей начинается с веществ, образованных в процессе преобразования энергии света, — это база для жизни на Земле.
- Поддержание баланса CO2: растения поглощают излишки углекислого газа, удерживая климат стабильным и предотвращая парниковый эффект.
- Энергетическая основа экосистем: солнечная энергия превращается в питание всего живого.
Комментарии эксперта
Чем фотосинтез отличается от хемосинтеза?
Какова роль каротиноидов в фотосинтезе, если главный пигмент — хлорофилл?
Почему именно глюкоза является основным продуктом темновой фазы?
Может ли фотосинтез происходить при искусственном освещении?
Главное о фотосинтезе
- Фотосинтез — процесс, при котором растения, водоросли и цианобактерии поглощают энергию солнечного света для производства кислорода.
- Источником энергии при фотосинтезе выступает свет. Он может быть искусственным, но важны интенсивность и определенное содержание красного и синего спектра.
- Место, где происходит фотосинтез — хлоропласты, специальные структуры внутри клеток растений, включающие мембранные тилакоиды и внутреннюю жидкость — стому.
- Этапы фотосинтеза разделены на световую фазу, с поглощением света и образованием энергии, и темновую — использование накопленной энергии для синтеза сахаров.
- В процессе фотосинтеза не только производится кислород, но и формируется основа пищевых цепей, регулируется баланс углекислого газа и поддерживается стабильность климата.
Читайте также:
Мерц заявил о шансе на «реальный мир» на Украине
Минфин США отказал Xtellus в покупке зарубежных активов ЛУКОЙЛа
Reuters узнал о решении 90% вопросов на переговорах по Украине в Берлине