Что такое фотосинтез

Строение листьев растений

Мы не можем полностью изучить фотосинтез, не зная больше о строении листа. Лист адаптирован для того, чтобы играть жизненно важную роль в процессе фотосинтеза.

Внешнее строение листьев

Площадь

Одной из самых главных особенностей растений является большая площадь поверхности листьев. Большинство зеленых растений имеют широкие, плоские и открытые листья, которые способны захватывать столько солнечной энергии (солнечного света), сколько необходимо для фотосинтеза.

Центральная жилка и черешок

Центральная жилка и черешок соединяются вместе и являются основанием листа. Черешок располагает лист таким образом, чтобы он получал как можно больше света.

Листовая пластинка

Простые листья имеют одну листовую пластину, а сложные — несколько. Листовая пластинка — одна из самых главных составляющих листа, которая непосредственно участвует в процессе фотосинтеза.

Жилы

Сеть жилок в листьях переносит воду от стеблей к листьям. Выделяемая глюкоза также направляется в другие части растения из листьев через жилки. Кроме того, эти части листа поддерживают и удерживают листовую пластину плоской для большего захвата солнечного света. Расположение жилок (жилкование) зависит от вида растения.

Основание листа

Основанием листа выступает самая нижняя его часть, которая сочленена со стеблем. Зачастую, у основания листа располагается парное количество прилистников.

Край листа

В зависимости от вида растения, край листа может иметь различную форму, включая: цельнокрайнюю, зубчатую, пильчатую, выемчатую, городчатую и т.п.

Верхушка листа

Как и край листа, верхушка бывает различной формы, включая: острую, округлую, туповатую, вытянутую, оттянутою и т.д.

Внутреннее строение листьев

Ниже представлена ​​близкая схема внутреннего строения тканей листьев:

Кутикула

Кутикула выступает главным, защитным слоем на поверхности растения. Как правило, она толще на верхней части листа. Кутикула покрыта веществом, похожим на воск, благодаря которому защищает растение от воды.

Эпидермис

Эпидермис — слой клеток, который является покровной тканью листа. Его главная функция — защита внутренних тканей листа от обезвоживания, механических повреждений и инфекций. Он также регулирует процесс газообмена и транспирации.

Мезофилл

Мезофилл — это основная ткань растения. Здесь происходит процесс фотосинтеза. У большинства растений мезофилл разделен на два слоя: верхний — палисадный и нижний — губчатый.

Защитные клетки

Защитные клетки — специализированные клетки в эпидермисе листьев, которые используются для контроля газообмена. Они выполняют защитную функцию для устьица. Устьичные поры становятся большими, когда вода есть в свободном доступе, в противном случае, защитные клетки становятся вялыми.

Устьице

Фотосинтез зависит от проникновения углекислого газа (CO2) из воздуха через устьица в ткани мезофилла. Кислород (O2), полученный как побочный продукт фотосинтеза, выходит из растения через устьица. Когда устьица открытые, вода теряется в результате испарения и должна быть восполнена через поток транспирации, водой, поглощенной корнями. Растения вынуждены уравновешивать количество поглощенного СО2 из воздуха и потерю воды через устьичные поры.

Газообмен растений в зависимости от освещенности

В зависимости от количества солнечного света растения могут выделять или поглощать кислород и углекислый газ следующим образом.

Темно – имеет место только дыхание. Кислород расходуется, а углекислый газ выделяется.

Тусклый солнечный свет – скорость фотосинтеза равна «частоте» дыхания. Растение потребляет на дыхание весь кислород, который генерирует фотосинтез. В результате газообмен с окружающей средой не происходит.

Яркий солнечный свет – при фотосинтезе используется углекислый газ, и кислорода освобождается намного больше, чем расходуется на дыхание. Лишний кислород выделяется в атмосферу. В дневное время фотосинтез производит кислород и глюкозу быстрее, чем дыхание потребляет его. Фотосинтез также использует углекислый газ быстрее, чем его производит дыхание. Избыток кислорода выделяется в атмосферу, углекислый газ забирается из воздуха, а неиспользованная глюкоза связывается в крахмал, который откладывается в растении для хранения и последующего использования.

Основы фотосинтеза

Я постараюсь рассказать вам об этом как можно более сжато. Ведь процесс настолько тяжёлый, что у неподготовленных просто взорвётся мозг от полученной информации. Предлагаю взглянуть на страницу моего старого конспекта по биологии.

Что вы из этого извлекли? Да, я украинец. Ну а по теме? Я уверен, что вы почти ничего не поняли. Поэтому объясняю вам с нуля.

1. В клетках фотосинтезирующих организмов есть компоненты хлоропласты, внутри которых и происходит фотосинтез.
2. Солнце воздействует на специальные фотосистемы, которые заставляют электроны неистово двигаться по тилакоидам (это составные хлоропласта) и выпрыгивать поверх оболочки.
3. Фотосистемам нужны новые электроны! Они в панике! Но спокойствие, только спокойствие! Есть ещё одна фотосистема, которая умеет расщеплять воду на нужные нам составные компонеты.
4. Итак, мы получили от этого кислород, ионы Водорода и дополнительные электроны. Кислород нам нафиг не нужен, мы его выбрасываем отсюда, пусть им дышат какие-то животные и людишки. А вот электроны восполняют фотосистемы. Ионы Водорода свободно тусят внутри тилакоида, соединяясь с лишними электронами.
5. Оставшиеся ионы Водорода грустят, что им не досталась пара. Поэтому они летят за оболочку к электронам, что по ней гуляют. Для них открывается шлюз, и там словно на таможне, ионы должны отдавать частичку своей энергии. Она накапливается в батарейках АТФ.
6. Атомы Водорода обрели своё счастье, и теперь им организм подгоняет углекислый газ, с которым они сливаются, образуя самые простые углеводы.

Мы получили кучу запасов энергии и углеводов. Организм счастлив!

Световая и темновая фазы фотосинтеза. Их взаимосвязь.

В 1905 году английский физиолог Ф. Блэкман обнаружил, что скорость фотосинтеза не может увеличиваться бесконечно, существуют ограничивающие её факторы. Исходя из этого, он предложил две фазы фотосинтеза:

1. Световая;
2. Темновая..

При низкой освещенности скорость световых откликов увеличивается пропорционально увеличению интенсивности света, и, помимо этого, эти реакции не зависят от температуры, поскольку для их прохождения не требуются ферменты. На тилакоидных мембранах осуществляются световые реакции.

Наоборот, скорость темновых реакций увеличивается с ростом температуры; однако при достижении температурного порога 30 ° C этот рост прекращается, что указывает на ферментативный характер этих превращений, которые происходят в строме

Также важно отметить, что свет тоже оказывает некоторое влияние на темновые реакции, несмотря на их название

Световая фаза фотосинтеза происходит на тилакоидных мембранах, несущих несколько типов белковых комплексов, главными из которых являются фотосистемы I и II, а также АТФ-синтаза. В составе фотосистем находятся пигментные комплексы, в которых, помимо хлорофилла, присутствуют также каротиноиды. Каротиноиды захватывают свет в областях спектра, где нет хлорофилла, и помимо этого, защищают хлорофилл от повреждения интенсивным светом.

Помимо пигментных комплексов, фотосистемы также включают ряд акцепторных белков, последовательно переносящих электроны от молекул хлорофилла друг к другу. Последовательность этих белковых молекул называется цепью переноса электронов хлоропластов.

Особый комплекс белков непосредственно связан с фотосистемой II, обеспечивающей выделение кислорода при таком процессе как фотосинтез. Этот комплекс выделения кислорода содержит ионы марганца и хлора.

В световой фазе световые кванты или фотоны, падающие на молекулы хлорофилла, которые расположены на мембранах тилакоидов, переводят их в состояние возбуждения, характеризующееся более высокой энергией электронов. В этом случае возбужденные электроны из хлорофилла фотосистемы I передаются через цепочку посредников к водородному носителю НАДФ, который присоединяет протоны водорода, которые постоянно находятся в водном растворе:

НАДФ + 2e− + 2H+ → НАДФН+Н+.

Затем в темноте используется уменьшенный НАДФН+Н+. Электроны из хлорофилла фотосистемы II также переносятся по цепочке переноса электронов, но заполняют «электронные дыры» хлорофилла фотосистемы I. Недостаток электронов в хлорофилле фотосистемы II обусловлен выводом молекул воды при участии вышеупомянутых Кислородный комплекс развивается, наполняется. Разложение молекул воды, называемое фотолизом, производит протоны водорода и выделяет молекулярный кислород, который является побочным продуктом фотосинтеза:

Темная фаза —  это процесс преобразования углекислого газа в глюкозу в строме (пространстве между гранами) хлоропластов с участием энергии АТФ и НАДФ •Н. 

Результат темновых реакций: превращение углекислого газа в глюкозу, а затем в крахмал. Помимо стромальных молекул глюкозы образуются аминокислоты, нуклеотиды и спирты.

Рис. 2. Световая и темновая фазы фотосинтеза

6СО₂ + 6Н₂О → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Эволюция жизни на Земле. Многоклеточные организмы.

После возникновения одноклеточных организмов появились более сложные формы жизни – многоклеточные организмы. Эволюция жизни на планете Земля приобрела более сложные организмы, отличающиеся более сложной структурой и сложных переходных стадий жизни.

Первая стадия жизни – Колониальная одноклеточная стадия. Переход от одноклеточных организмов к многоклеточным, усложняется структура организмов и генетический аппарат. Эта стадия считается самой простой в жизни многоклеточных организмов.

Вторая стадия жизни – Первично-дифференцированная стадия. Более сложная стадия и характеризуется началом принципа “разделения труда” между организмами одной колонии. В этой стадии происходила специализация функций организма на тканевом, органном и системноорганном уровнях. Благодаря этому у простых многоклеточных организмов начала образовываться нервная система. Нервного центра у системы еще не было, но центр координации имеется.

Третья стадия жизни – Централизованно-дифференцированная стадия.  За время этой стадии у организмов усложняется морфофизиологическая структура. Улучшение этой структуры происходит через усиление тканевой специализации.Усложняется пищевая, выделительная, генеративная и другие системы многоклеточных организмов. У нервных систем появляется хорошо выраженный нервный центр. Улучшается способы размножения – из наружного оплодотворения во внутреннее.

Заключением третей стадии жизни многоклеточных организмов является появление человека.

Свет в процессе фотосинтеза

Лист обычно имеет большую площадь поверхности, поэтому он может поглощать много света. Его верхняя поверхность защищена от потери воды, болезней и воздействия погоды восковым слоем (кутикулой). Верх листа находится там, где падает свет. Этот слой мезофилла называется палисадным. Он приспособлен для поглощения большого количества света, ведь в нем находится много хлоропластов.

В световых фазах, процесс фотосинтеза увеличивается с большим количеством света. Больше молекул хлорофилла ионизируется, и больше генерируется АТФ и НАДФН, если световые фотоны сосредоточены на зеленом листе. Хотя свет чрезвычайно важен в световых фазах, необходимо отметить, что чрезмерное его количество может повредить хлорофилл, и уменьшить процесс фотосинтеза.

Световые фазы не слишком сильно зависят от температуры, воды или углекислого газа, хотя все они нужны для завершения процесса фотосинтеза.

Коротко о фотосинтезе

Растения являются обладателями зеленого цвета благодаря наличию вещества, которое называется хлорофилл. Оно содержится в органеллах (можно провести аналогию с человеческими органами), называющихся хлоропластами. Они устроены так, что при попадании солнечных лучей сразу же начинают их поглощать и перерабатывать в необходимую для жизни растения энергию. Это сложный химический процесс, в результате которого выделяется кислород. При этом остается неиспользованной зеленая часть цветового спектра солнечного луча. Поэтому листик или трава становятся зелеными. А все это вместе называется фотосинтезом.

Темновая фаза фотосинтеза

Что образуется при фотосинтезе в темновую фазу? В строме хлоропластов с помощью энергии АТФ и восстановителя НАДФН, полученных в световую фазу, образуются простые сахара, из которых в ходе других процессов образуется крахмал. Ферментативные процессы не нуждаются в наличии света. Важнейший процесс, происходящий в темновую фазу фотосинтеза, — фиксация углекислого газа воздуха. Синтез и превращения сахаров в хлоропластах имеют циклический характер и носят название цикл Кальвина.

В нём можно выделить три этапа:

1. Фаза карбоксилирования (введение CO2 в цикл).
2. Фаза восстановления (используются АТФ и НАДФН, полученные в световую фазу).
3. Фаза регенерации (превращения сахаров).

В строме хлоропластов находится производное простого пятиуглеродного сахара рибозы. С помощью особого фермента (Рубиско) к производному рибозы присоединяется CO2 (реакция карбоксилирования) — образуется неустойчивое шестиуглеродное соединение, которое быстро распадается на две трехуглеродные молекулы. Дальше, с затратой АТФ и НАДФН, полученных в ходе световых процессов, трехуглеродное соединение модифицируется — образуется восстановленное соединение с атомом фосфора и альдегидной группой в составе. Теперь перед клеткой стоит проблема: необходимо получить шестиуглеродное соединение — глюкозу для синтеза крахмала, а также пятиуглеродное — производное рибозы для того, чтобы эти процессы могли начаться заново. Для решения этих проблем в фазу регенерации из полученных ранее трехуглеродных соединений под действием ферментов образуются четырёх-, пяти-, шести- и семиуглеродные сахара. Из шестиуглеродной молекулы образуется глюкоза, из которой синтезируется крахмал. Из пятиуглеродной молекулы образуется производное рибозы и цикл замыкается. Остальные сахара также используются клеткой в других биохимических процессах.

Отдельно стоит сказать про крайне важный фермент первой фазы цикла Кальвина — рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилазу (Рубиско). Это сложный фермент, состоящий из 16 субъединиц, с молекулярной массой в 8 раз больше, чем у гемоглобина. Является одним из важнейших ферментов в природе, поскольку играет центральную роль в основном механизме поступления неорганического углерода (из CO2) в биологический круговорот. Содержание Рубиско в листьях растений очень велико, он считается самым распространённым ферментом на Земле. 

Рис.3. Суммарные уравнения и частные реакции фотосинтеза.

Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий

Хемосинтез является самым старым типом автотрофного питания, образованным еще во время эволюции до фотосинтеза. В отличие от фотосинтеза при хемосинтезе, основным источником энергии является не солнечный свет, а химические реакции окисления веществ, обычно неорганических.

Хемосинтез наблюдается только у ряда прокариот. Многие хемосинтезирующие бактерии живут в местах, недоступных для других организмов: на больших глубинах, в бескислородных условиях. 

Хемосинтетические организмы не зависят от энергии солнечного света, ни как растения, ни как животные. Исключением являются бактерии, которые окисляют аммиак, поскольку последний выделяется в результате гниения органических веществ.

Сходство хемосинтеза с фотосинтезом:

• автотрофное питание,
• энергия накапливается в АТФ, а затем используется для синтеза органических веществ.

Отличия в хемосинтезе:

• источник энергии — различные окислительно-восстановительные химические реакции;
• характерен только для ряда бактерий и архей;
• клетки не содержат хлорофилла;
• в качестве источника углерода для синтеза органических веществ используются не только CO₂, но и окись углерода (CO), муравьиная кислота (HCOOH), метанол (CH₃OH), уксусная кислота (CH₃COOH) и карбонаты.

Хемосинтезирующие организмы генерируют энергию при окислении серы, сероводорода, водорода, железа, марганца, аммиака, нитритов и т.д. Как видите, используются неорганические вещества.

Хемосинтетические вещества подразделяются на группы в зависимости от окисляемого субстрата для производства энергии: железные бактерии, серные бактерии, археи, образующие метан, нитрифицирующие бактерии и т. д.

В хемосинтетических аэробных организмах кислород является акцептором электронов и водорода, т.е. он действует как окислитель.

Хемосинтезирующие организмы играют важную роль в круговороте веществ, особенно азота, и способствуют плодородию почвы.

В группу хемосинтетических организмов (хемотрофов) в основном входят бактерии: нитрифицирующие, сернистые, черные и т. д., использующие энергию окисления ионов азота, серы и железа. В этом случае донором электронов является не вода, а другие неорганические вещества.

Таким образом, нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак, образующийся из атмосферного азота, от азотфиксирующих бактерий до нитритов и нитратов:

• 2NH₃ + 3О₂→ 2HNO₂ + 2Н₂О + 663 кДж,
• 2HNО₂ + О₂→2HNО₃ + 192 кДж.

Серобактерии производят окисление сероводорода до серы и, в некоторых случаях, до серной кислоты:

• H₂S + О₂→ 2Н₂О + 2S + 272 кДж,
• 2S + 3О₂ + Н₂О → H₂SО₄ + 483 кДж.

Железобактерии производят окисление солей железа: 

4FeCО3 + О2 + 6Н2О → 4Fe(OH)3 + 4СО2 + 324 кДж.

Водородные бактерии имеют способность окислять молекулярный водород:

2Н2 + О2→ 2Н2О + 235 кДж.

Углекислый газ действует как источник углерода для синтеза органических соединений во всех автотрофных бактериях.

Хемосинтезирующие бактерии играют наиболее значительную роль в биогеохимических циклах химических элементов в биосфере, так как в течение их жизни образовались отложения многих минералов. Кроме того, они являются источниками органического вещества на планете, то есть производителями, а также делают доступными для растений и других организмов ряд неорганических веществ.

_{Источник изображения: Рис. 2 — Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. Общая биология (базовый уровень) 10–11 класс // ДРОФА.}

Интересные факты о фотосинтезе

Вот еще что интересного я нашла об этом процессе:

• главным поставщиком кислорода в результате фотосинтеза является морской фитопланктон;
• некоторые глубоководные бактерии настолько светочувствительны, что для запуска процесса фотосинтеза им достаточно света от горячих источников;
• при чрезмерном солнечном освещении способность растительных клеток к фотосинтезу может уменьшаться;
• листья фиолетового и красного цветов насыщены специальными пигментами, которые не позволяют подавить процесс фотосинтеза при избытке освещения;
• некоторые виды бактерий не выделяют кислород при фотосинтезе.

Пигменты

Фотосинтез бактерий имеет целый ряд особенностей. Например, хлорофиллы в данном случае свои, особенные (хотя у некоторых обнаружены и пигменты, аналогичные тем, которые работают у зеленых растений).

Хлорофиллы, принимающие участие в фотосинтезе зеленых и пурпурных бактерий, сходны по своему строению с теми, которые встречаются у растений. Наиболее распространены хлорофиллы А1, C и D, встречаются также AG, А, B Основной каркас у этих пигментов имеет одинаковое строение, отличия заключаются в боковых ветвях.

С точки зрения физических свойств хлорофиллы растений, пурпурных, зеленых и цианобактерий представляют собой аморфные вещества, хорошо растворимые в спирте, этиловом эфире, бензоле и нерастворимые в воде. Они имеют два максимума поглощения (один в красной, а другой – в синей областях спектра) и обеспечивают максимальную эффективность фотосинтеза у обычных бактерий и цианобактерий.

Молекула хлорофилла состоит из двух частей. Магнийпорфириновое кольцо формирует гидрофильную пластинку, размещенную на поверхности мембраны, а фитол располагается под углом к этой плоскости. Он образует гидрофобный полюс и погружен в мембрану.

Все виды пурпурных, зеленых и цианобактерий содержат также желтые пигменты – каротиноиды. Их состав уникален для каждого вида прокариот, а пики поглощения света находятся в синей и фиолетовой части спектра. Они позволяют бактериям фотосинтезировать, используя свет промежуточной длины, чем улучшают их продуктивность, могут быть каналами переноса электронов, а также защищают клетку от разрушения активным кислородом. Кроме того, они обеспечивают фототаксис – движение бактерии к источнику света.