Фотосинтез - что это за процесс? Раскрываем типы и фазы превращения солнечной волны в еду и энергию
Как растениям удается из поглощенного солнечного света создавать кислород? Об этом мы задумывались, пожалуй, только на уроках биологии. Тем не менее, фотосинтез - это сложный процесс преобразования энергии видимого спектра света в другую энергию, а также превращение энергии света в химические соединения. Человечество досконально изучило механизм этого интересного явления и уже само вовсю использует полученные знания. Например, разработало солнечные батареи с более эффективными фотоэлектрическими пигментами черного цвета, тогда как у растений они зеленого цвета, и усваивается энергия солнца на порядок меньше. Без преувеличения можно сказать, что фотосинтез является основой жизни, так как с его помощью растения выделяют нужным нам кислород. Подробнее о тонкостях этого процесса читайте в этой статье.
Оглавление
1. Различные типы фотосинтеза 2. Фазы процесса фотосинтеза: световой, темновой3. Результат фотосинтеза
Типы фотосинтеза
Сам фотосинтез растений происходит в специальных органеллах (хлоропластах). Они могут быть и в чашелистнике, и в плодах, и в стеблях. Но основное место производства, как мы знаем, в листьях. Также для преобразования углекислого газа в кислород нужна вода. Растения за миллионы лет эволюции научились сохранять влагу и снижать ее потери. В процессе усвоения солнечной энергии в хлоропластах образуются крахмальные зерна, а захват углекислого газа осуществляется путем его проникновения через устьица растения. При низкой концентрации углекислого газа в межклеточном пространстве падает процесс накопления питательных веществ.
Чтобы углекислый газ был в достаточном количестве, нужно, чтобы устьица были открыты для его беспрепятственного проникновения. Но при этом тогда листья усыхают за счет испарения воды. Компромиссным решением является поглощение газа при понижении температуры.
Фотосинтез бывает двух видов, которые существенно отличаются друг от друга:
- безхлорофилльный;
- хлорофилльный.
Бесхлорофилльный тип значительно проще и используется самыми примитивными организмами (например, галофильными бактериями). Ученые отмечают низкую эффективность такого запасания энергии: только на один "добытый" квант (частичку световой энергии) приходится один "усвоенный" протон (энергия организма на биологических мембранах). В хлорофилльном фотосинтезе это значение выше, но не менее одного.
Хлорофилльный фотосинтез представлен на планете в разы больше. Хлорофилльный бывает с выделением кислорода и без выделения кислорода. Образование кислорода как побочного продукта встречается гораздо чаще.
Справка
В ночное время растения поглощают кислород, а днем его производят. Захват кислорода происходит всеми частями растения из воздуха: стеблем, корнями, а особенно листьями. В течение дня растения тоже поглощают кислород, но в очень незначительных количествах. Поэтому можно говорить, что растения дышат.
Процесс преобразования одной энергии в другую крайне сложный, растянут во времени, происходит с участием углекислого газа, воды и солнечного света. В конце концов энергия света превращается в химическую энергию и хранится в органических молекулах внутри.
Фазы процесса фотосинтеза
Традиционно выделяют две фазы, которые сильно отличаются процессами, происходящими внутри клеток, а именно:
- световую;
- темновую.
Во время световой фазы фотосинтеза происходит активное накопление энергии в специальных местах - хлорофиллах (в молекулах белка. При этом энергия света переходит в электрическую). У растений при этом протекает фотолиз воды с выделением кислорода и происходит синтез белков (так называемой АТФ). Накопленная энергия пригодится растениям во время темновой фазы. Образованная цепочка передачи энергии внутри клетки имеет очень сложную структуру на молекулярном уровне. В общих словах: энергия света обрабатывается чувствительными к свету клетками растения, часть энергии уходит на электрические реакции, часть запасается самой клеткой для последующей жизнедеятельности и обменных процессов.
Важно
Растения не дышат углекислым газом, как некоторые ошибочно думают. В процессе фотосинтеза они его поглощают. Они, как и мы, тоже дышат кислородом. Но в отличие от животных, способны не только потреблять, но и синтезировать кислород. Поэтому человек и растения взаимозависимы друг от друга. Нам нужен кислород, растениям нужен углекислый газ, который мы производим.
Темновая фаза фотосинтеза характеризуется тем, что без участия света идет преобразование углекислого газа в глюкозу с помощью запасенной днем энергии в специальных "энергетических станциях", так называемых стромах хлоропластов. Донором энергии в процессах в темное время суток является АТФ (особая кислота). Кроме расхода накопленной за день энергии идет восстановительная реакция другой сложной кислоты - НАДФ (она тоже очень важна в обменных процессах клетки).
Чуть позже глюкоза преобразуется в крахмал. Кроме крахмала в клетках формируются аминокислоты, нуклеотиды и другие органические белки.
Результат процесса фотосинтеза
Самое главное достижение растительных организмов планеты - это способность перерабатывать энергию солнца, превращая ее в питательные вещества через множество сложных превращений. Так, фотохимический процесс служит главным источником жизни на земле.
Кислород, который есть на Земле, в большей степени выработан в процессе фотосинтеза растениями. На основании изученных горных отложений ученые предполагают, что способностью вырабатывать кислород организмы овладели около 2,7—2,8 млрд лет назад. Это были простейшие цианобактерии. И на планете резко изменилось сообщество живых организмов. На смену анаэробным (живущим без кислорода) пришли аэробные, захватившие планету. Ученые это называют "кислородной катастрофой". Сформированный ими озоновый слой создал надежную подушку от космической радиации, нивелировал колебания температуры и так стало возможным развитие сложных организмов.
Эволюционно сначала организмы смогли использовать воду в качестве неорганического донора, позже смогли усложнить свою фотосистему и организмы стали выделять кислород (оксигенные формы жизни). С этого момента пошел резкий скачок увеличения многоклеточных, которые вырабатывают кислород. Возникли сложные растения: семенные, плодовые, споровые и многие другие. Такое положение очень схоже с современной окислительной атмосферой и моделью жизни на Земле. Словом, фотосинтез делает планету пригодной для сложной и разнообразной жизни.
Справка
Первые опыты по изучению фотосинтеза начались в 1600 г. бельгийским ученым Ян Ван Гельмонтом. Он поставил ветвь ивы на 5 лет в мешок с землей и поливал ее водой. Вес ивы увеличился на 65 кг, а земля уменьшилась всего на 50 гр. Тогда ученый понял, что питается ива не из земли. Но откуда - так и не понял.
М.В. Ломоносов первым предположил, что растения берут энергию из воздуха. Но из-за отсутствия научных приборов сделать описание процесса фотосинтеза не смог.
Д. Пристли, английский священник, в 18 веке провел опыты с мышами. Одну посадил под колпак с растением, другую без растения. Мышь с веточкой осталась жива. Так ученый предположил, что растения дают нам жизнь и возможность дышать за счет вырабатываемого ими газа.
Итак, результатом сложных химических реакций фотосинтеза является выработка глюкозы и кислорода.
Растения создают органические вещества (становятся пищей для других организмов), обеспечивают планету и все аэробные живые существа кислородом, формируют подушку из озона для защиты планеты неблагоприятных воздействий космоса (холода, улетучивания кислорода, радиации).
-----------------------------------------------
А какое самое важное значение, на ваш взгляд, имеет фотосинтез для планеты? Поделитесь своими мыслями в комментариях.
Больше по теме
5 вопросов от экспертов проекта «Антонов сад»!
Подпишитесь на рассылку Антонов сад и получайте каждую неделю новые статьи и советы по выращиванию.
