Какую часть спектра поглощают растения

Обновлено: 05.10.2024

Всё живое на Земле зависит от фотосинтеза, он снабжает растения и животных энергией и углеродом, обеспечивает выделение кислорода в атмосферу. Растения поглощают около 1% падающей на Землю солнечной энергии, связывают углекислый газ атмосферы, а также и воду, превращая их в 150 млрд т сухого органического топлива в год (около 1 кг/м 2 ). Часть этого органического вещества поедается травоядными животными, которыми питаются хищные животные и человек. Растительные и животные остатки разлагаются бактериями и грибами до уровня исходных неорганических веществ. Затем этот круговорот замыкается: энергия солнечного излучения, поглощённая растениями, переходит в тепло и излучается Землёй в космическое пространство. Можно сказать, что жизнь на Земле есть процесс поглощения солнечного света.

Важнейшей особенностью процесса фотосинтеза является его протекание с использованием энергии солнечного света. Лучистая энергия – это энергия электромагнитных колебаний, которая характеризуется определённой длиной волны , частотой колебаний и скоростью распространения c – скоростью света, равной 3 · 10 8 м/с. Эти величины связаны между собой следующим образом: Е = c/. Собственно свет, или область электромагнитных колебаний, воспринимаемая человеческим глазом, лежит в диапазоне длин волн 400–700 нм. Более короткие волны характерны для ультрафиолетовых (УФ) лучей, а более длинные – для инфракрасных (ИК). Окраска видимого света зависит от длины волны. Обладая волновыми свойствами, свет проявляет и корпускулярные свойства. Лучистая энергия излучается и распространяется в виде дискретных единиц – квантов, или фотонов. Квант света обладает энергией E = h = h·c/, где h – постоянная Планка. Из этой формулы ясно, что величина энергии квантов для разных участков спектра различна: чем короче длина волны, тем она больше:

2. Значение отдельных участков солнечного спектра для фотосинтеза

Согласно первому закону фотохимии, только поглощённые лучи могут быть использованы в химических реакциях. В том случае, если реагирующие молекулы бесцветны и не поглощают свет, фотохимические реакции могут идти только в присутствии специальных веществ – фотосенсибилизаторов. Фотосенсибилизаторы – вещества, поглощающие энергию света и передающие её той или иной бесцветной молекуле.

Положение о том, что в процессе фотосинтеза могут быть использованы только поглощённые лучи, впервые получило экспериментальное подтверждение в опытах К.А.Тимирязева. До этого господствовало ошибочное представление, что наибольшее значение в процессе фотосинтеза имеют жёлтые лучи солнечного спектра, которые хлорофиллом не поглощаются. К.А.Тимирязев показал, что процесс усвоения CO₂ на свету представляет собой фотохимический процесс и подчиняется законам фотохимии, что процесс фотосинтеза проходит именно в тех лучах, которые поглощаются хлорофиллом. Хлорофилл является оптическим сенсибилизатором, поглощающим энергию света.

Наиболее интенсивное усвоение углекислого газа наблюдается в красных лучах. Затем, в направлении зелёной части спектра процесс фотосинтеза постепенно ослабевает, зелёные лучи хлорофиллом почти не поглощаются. В сине-фиолетовой части спектра наблюдается второй подъём интенсивности фотосинтеза. Таким образом, кривая интенсивности фотосинтеза имеет два максимума соответственно двум максимумам поглощения хлорофилла. Интенсивность процесса фотосинтеза в различных участках спектра получила название спектра действия.

II. Экспериментальная часть

1. Цель: 1) выявить влияние световых волн разной длины на прорастание семян злаковых растений; 2) выявить влияние световых волн разной длины на интенсивность фотосинтеза в листьях растений.

Оборудование: четыре ёмкости с землёй; семена злаковых растений; штатив с укреплённой на нём люминесцентной лампой; световые фильтры (по 4 штуки сине-фиолетового, зелёного и оранжево-красного цветов); контейнер; сушильный шкаф; фарфоровые чашечки.

1-й этап выполнение работы

• 08.01.07 в четыре ёмкости с землёй были посеяны семена одинаковой злаковой культуры – овса.

• После посадки и первого полива три ёмкости поместили в контейнер под светофильтры разных цветов. Одна ёмкость – контрольная, семена в ней прорастали при естественном освещении.

• С этого дня полив осуществлялся регулярно.

• 10.01.07 появились первые всходы в ёмкости под сине-фиолетовым светофильтром.

• Почти одновременно с ними, через несколько часов, появились всходы под оранжево-красным светофильтром.

• Через два дня, 12 января, появились всходы под зелёным светофильтром.

• И последними, 13 января, проросли семена в контрольной ёмкости.

2-й этап выполнения работы

• 18.01.07 и 25.01.07 были произведены срезы листьев растений и замеры площади и сырой массы срезанных листьев (см. таблицу).

• Для определения сухой массы растения были помещены в сушильный шкаф в фарфоровых чашечках на один час.

• После сушки растения были взвешены на весах (см. таблицу внизу).

2. Методика работы

• Определение площади листа. Метод основан на сопоставлении листа с некоторой простой геометрической фигурой, достаточно хорошо совпадающей с его конфигурацией. Лист вписывают в соответствующую фигуру так, чтобы основные параметры были общими. Так, листья злаков легко вписываются в вытянутый прямоугольник. Измеряя длину a и ширину b такого прямоугольника, находят его площадь: S = a · b.

где B₁ и B₂ – сухая масса растений в начале и конце учётного периода; (B₂ – B₁) – прирост сухой массы в течение n дней между двумя последовательными сроками наблюдений; Л₁ и Л₂ – площадь листьев в начале и в конце периода, м 2 ; 0,5 (Л₁ + Л₂) – средняя работавшая площадь листьев за время опыта.

• Показатели чистой продуктивности фотосинтеза в природных условиях обычно колеблются от 0,1 до 20 г (и более) сухого вещества на 1 м 2 в сутки: у злаков в фазе интенсивного роста 40–50 г/ (м 2 · сут.), у основных сельскохозяйственных культур 4–10 г/ (м 2 · сут.).

3. Выводы на основе наблюдений

1. Площадь листьев быстрее нарастает у растений, находящихся под оранжево-красным и сине-фиолетовым светофильтрами.

2. ЧПФ имеет два пика: при красном (37,37 г/м 2 ) и при сине-фиолетовом (26,3 г/м 2 ) облучениях.

3. ЧПФ минимальна при зелёном облучении, т.к. зелёные световые лучи не поглощаются хлорофиллом, а отражаются от него.

III. Значение фотосинтеза в продукционном процессе. Фотосинтез и урожай

Чтобы перейти от массы усвоенного углекислого газа к сухому веществу, необходимо ввести коэффициент 0,64 (1 г усвоенного CO₂ соответствует 0,64 г углеводов). Однако не всё образовавшееся сухое вещество накапливается. Частично оно расходуется в процессе дыхания, теряется при опадении отдельных органов, а также при экзосмосе, – эти потери составляют 25–30%. Вместе с тем определённое количество веществ поступает через корневую систему (5–10% от общей массы растения). В итоге можно считать К_эф = 0,5.

Следовательно, общее накопление сухой массы растений зависит от интенсивности фотосинтеза, коэффициента эффективности (куда входит трата на процесс дыхания), размера листовой пластины и суммы дней вегетационного периода.

Как видно из приведённых уравнений, накопление сухой массы зависит не только от площади листьев, но и от интенсивности фотосинтеза. Расчёты показывают, что интенсивность фотосинтеза может достигать 100 мг CO₂/(дм 2 · ч), а обычно составляет 10–15 мг CO₂/(дм 2 · ч). Необходимо учесть, что в агрономической практике важен не столько биологический, сколько хозяйственный урожай. Хозяйственный урожай – это доля полезного продукта, ради которой возделывают данное растение (зерно, корнеплоды, волокно и т.д.): У_хоз = У_биол · К_хоз. Коэффициент К_хоз может колебаться от 50% для сахарной свёклы до 1% для волокна хлопчатника, а также значительно изменяться и для одного и того же растения.

В большей степени биологический, а следовательно, и хозяйственный урожай зависят от площади листьев. Необходимо добиваться быстрого развития листовой поверхности в начале вегетационного периода. Однако при чрезмерном развитии листьев они затеняют друг друга, их работоспособность уменьшается. Могут быть даже случаи, когда листья из снабжающих органов становится потребляющими. Вместе с тем лист – это не только орган фотосинтеза, но и орган транспирации. Следовательно, чем больше площадь листьев, тем больше растение теряет воды в процессе испарения.

КПД фотосинтеза в естественных условиях ничтожно мал. Для его повышения очень важно уменьшать затраты солнечной энергии на транспирацию. В частности, это может быть достигнуто улучшением условий корневого питания.

Наконец, для получения наибольшего хозяйственного урожая большое значение имеет повышение К_хоз, иначе говоря, увеличение доли полезного продукта в урожае. Это может быть достигнуто прежде всего путём изменения направления оттока ассимилянтов из листьев и связанной с этим различной скоростью роста отдельных органов. В этом отношении существенную роль должно сыграть умелое применение регуляторов роста – фитогормонов. Важно также, чтобы в конце вегетационного периода питательные вещества как можно полнее использовались на формирование хозяйственно ценных органов. В связи с этим могут быть полезны все приёмы, которые усиливают отток ассимилянтов и даже отмирание листа в конце вегетационного периода

Наконец, большую роль играет селекционный отбор растений. В настоящее время показана возможность отбора сортов сельскохозяйственных растений, характеризующихся более высокой интенсивностью как световых, так и темновых реакций.

Подводя итоги, можно сказать, что, отмечая важность фотосинтеза в продукционном процессе, необходимо учитывать его связь с процессами роста, развития, дыхания, водного и минерального питания.

Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология: В 3 томах. Пер. с англ. /Под ред. Р.Сопера – 2-е издание. – М: Мир , 1996.

Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ООО ЮКЭА, 1997.

Практикум по физиологии растений: Под ред. Н.Н.Третьякова. – М.: Колос, 1982.

Якушкина Н.Н., Бахтенко Е.Ю. Физиология растений: Учеб. для студентов вузов. – М: Владос, 2005.

Евдокия Панкратова получила аттестат с отличием по окончании основной школы, сейчас учится в 10-м классе естественно-математического профиля. Участвовала в прошлом учебном году в пяти олимпиадах и на четырёх заняла 1-е место, а на одной – 2-е. В нынешнем учебном году из пяти олимпиад выиграла четыре, на одной заняла 3-е место. Стипендиат Главы г. Лобни за 2007 г. Собирается поступать в медицинский институт.

Мы знаем, что растение потребляет воду и солнечный свет, а в результате производит кислород. Но как это происходит? Чтобы понять, нужно рассмотреть процесс с точки зрения не только биологии, но и химии и физики. Каждая наука раскрывает свою сторону процесса, но, только объединившись, они дают целостную картину фотосинтеза.

Процесс фотосинтеза включает 2 фазы: световую, которая проходит на мембранах тилакоидов в присутствии света и темновую, которая не зависит от света и протекает в строме хлоропласта. В фотосинтезе участвуют многочисленные пигменты (особенно хлорофилл). В результате перемещения электронов по цепочке переносчиков запасается энергия в макроэргических связях АТФ, которая в последствии затрачивается на синтез углеводов в цикле Кальвина.

В виде побочного продукта фотосинтеза выделяется кислород, который используется многими организмами для дыхания. Благодаря ему, наша планета защищена от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей. В противном случае, УФ- излучение способно вызвать у человека ожоги кожи и роговицы, генетические мутации. Фотосинтез обеспечивает питанием огромное количество живых организмов.

Состоит из черешка и листовой пластинки; выполняет функцию газообмена, транспирации, гуттации, фотосинтеза.

Процесс потребления организмом питательных веществ для поддержания нормального функционирования физиологических процессов

Пигменты, участвующие в фотосинтезе

Фотосинтез может осуществляться только с помощью определенных веществ — пигментов. Фотосинтетические пигменты высших растений делятся на две группы: хлорофиллы и каротиноиды.

Локализация

Пигменты локализованы в мембранах хлоропластов. В хлоропласте содержится около 400 молекул хлорофилла. Хлоропласты обычно располагаются в клетке так, чтобы их мембраны находились под прямым углом к источнику света, что гарантирует максимальное поглощение света (они могут перемещаться в клетке, в зависимости от того, как падает свет).

Хлорофилл

У растений в фотосинтезе участвует пигмент хлорофилл, который содержится в хлоропластах на мембранах тилакоидов. Хлорофилл придает хлоропластам и всему растению зеленую окраску. Хлорофилл обладает уникальным свойством: он умеет поглощать энергию солнечного света, переходя в возбужденное состояние.

Хлорофиллы поглощают главным образом красную и сине-фиолетовую часть спектра. Зеленую часть спектра они отражают и потому придают растениям характерную зеленую окраску, если только ее не маскируют другие пигменты.

Пигменты содержатся не только в клетках высших растений, но и в клетках водорослей. В клетках водорослей отдела Зеленых преобладает пигмент хлорофилл. Именно поэтому данный тип водорослей окрашен в различные оттенки зеленого.

В красных водорослях очень много пигмента фикоэритрина, характеризующегося красным цветом. Этот пигмент и придает данному отделу этих растений соответствующий цвет.

В бурых водорослях присутствует пигмент фукоксантин – бурого цвета.
То же самое можно сказать о водорослях других цветов – желто-зеленых, сине-зеленых. В каждом случае цвет определяется каким-то пигментом или их сочетанием.

Каротиноиды поглощают солнечный свет (особенно в коротковолновой — сине-фиолетовой — части спектра) и поглощенную энергию передают хлорофиллу, а также защищают хлорофилл от избытка света и от окисления кислородом, выделяющимся при фотосинтезе.

Каротиноиды постоянно присутствуют в листьях, но незаметны из-за присутствия хлорофилла. Зато осенью, когда хлорофилл разрушается, каротиноиды становятся хорошо видны. Именно они придают листьям желтую и красную окраску.

Универсальность молекулярного состава организмов

Биологические молекулы часто бывают универсальны и встречаются у совершенно разных организмов. Такая структура как молекула хлорофилла встречается у растений, а также у некоторых бактерий, но близкая ей по химическому составу молекула есть и у нас с вами. Это гемоглобин - железосодержащий белок крови животных. Различаются эти молекулы только центральными атомами железа, от которых, главным образом, и зависят основные функции этих веществ.

В зависимости от пигментного состава, водоросли могут поглощать солнечную энергию на разной глубине. Таким образом, увидев водоросль на картинке или в магазине, вы сможете сказать примерную глубину, на которой эта водоросль могла расти. Например, зеленые водоросли распространены на глубине до 30 м, поскольку более активно поглощают красный свет.

Красные водоросли, живущие на глубине от 50 до 200 м, осуществляют фотосинтез, используя слабый голубоватый зеленый свет, который проникает через толщу воды.

Световая фаза

Хлорофиллы объединяются в фотосистемы. Каждая фотосистема состоит из светособирающего комплекса, реакционного центра и переносчиков электронов. В них происходит возбуждение электрона, переход его по цепочке переносчиков, синтез АТФ и выделение О2 как побочного продукта . Световая фаза протекает на мембранах тилакоидов в хлоропластах исключительно при участии света.

Возбуждение хлорофиллов и перемещение электрона

Есть два типа фотосистем. Различаются они тем, что принимают разную длину волны света. Фотосистема II поглощает волны 680 нм за счет хлорофилла P680, а фотосистема I - свет длиной 700 нм за счет хлорофилла P700.

Молекулы хлорофилла фотосистем поглощают квант света. Один электрон каждой из них переходит на более высокий энергетический уровень (возбуждается) и перемещается далее по цепи переносчиков.

Фотолиз воды и образование кислорода

Одновременно с работой фотосистем происходит процесс распада воды под действием солнечного света. Этот процесс называется фотолиз.

В результате фотолиза образуются свободные электроны, кислород, ионы водорода. Электроны восполняют фотосистему II. Кислород выделяется в атмосферу. Ионы водорода накапливается в полости тилакоидов.

В полости тилакоида накапливается большой избыток ионов водорода, что приводит к созданию на мембране тилакоида градиента концентрации этих ионов.

Синтез молекул АТФ и образование НАДФ*2Н

Электрон проходит по цепи переносчиков (белков мембраны хлоропласта). В процессе этого перехода от одного переносчика к другому, электрон выделяет энергию, которая впоследствии тратится на синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата (Фн).

Градиент используется ферментом АТФ-синтетазой для синтеза АТФ из АДФ и фосфата. Происходит перенос ионов водорода через мембрану восстановленным переносчиком НАДФ (никотинамидадениндинуклеотид-фосфатом) с образованием НАДФ*Н.

Далее этот водород, который присоединил к себе НАДФ, тратится на синтез углеводов в цикле Кальвина в темновой фазе фотосинтеза.

Таким образом, энергия света запасается в световой фазе фотосинтеза в виде двух типов молекул: восстановленного переносчика НАДФ*Н и макроэргического соединения АТФ.

Открытие фотосистем

Роберт Эмерсон путем опытов с 1942 по 1957 год анализировал влияние длины световой волны на квантовый выход фотосинтеза у одноклеточной водоросли хлореллы, то есть количество кислорода, выделившегося в процессе фотосинтеза в расчете на 1 квант поглощенной энергии.

Эмерсон установил, что у хлореллы наиболее эффективным для фотосинтеза был красный свет с длиной волны от 650 до 680 нм и синий свет с длиной волны от 400 до - 460 нм. Именно этот свет поглощается хлорофиллом. Он также вычислил, что фотосинтетическая эффективность красного света была на 36% выше, чем синего.

В следующих опытах было показано, что если клетки освещать красным светом с длиной волны от 650 до 680 нм, то квантовый выход достаточно высок.

Однако при дальнейшем увеличении длины волны света свыше 685 нм, квантовый выход фотосинтеза резко падает.

Если же хлореллу освещать и коротковолновым (650 нм) и длинноволновым (700 нм) красным светом, суммарный эффект будет больше, чем при действии каждого луча в отдельности. Это явление получило название эффекта усиления Эмерсона и дало возможность Эмерсону предположить, что в растениях существуют две фотосинтезирующие системы, которые должны работать согласованно.

Предположение Эмерсона легло в основу современной модели Z-фотосинтеза и дало толчок к исследованию физических, химических и функциональных свойств фотосистемы I и фотосистемы II.

У нас вы можете прочитать о том, как вырастить из семян:

воскресенье, 15 сентября 2013 г.

Фотосинтез и спектр

Для начала немного скучной теории.

Каждый цвет имеет свою длину волны.

Инфракрасное (тепловое) излучение имеет длину волны больше 740 нанометров, а ультрафиолетовое - меньше 380.

Свет, попадая на предмет, частично поглощается, а оставшийся - отражается и становится видимым. Мел почти не поглощает свет в видимом спектре, поэтому он белый. Тогда как уголь поглощает почти весь видимый спектр, поэтому нам он кажется черным. Зеленые растения поглощают синюю и красную части спектра, а не используемую зеленую отражают в окружающий мир.

Зелень растений

Этот самый зеленый цвет растениям придает хлорофилл. Хлорофилл - это пигмент, с помощью которого происходит фотосинтез. Хлорофилл у зеленых растений бывают двух видов - a и b (есть еще c, d и f, но они есть только у водорослей и цианобактерий). Для фотосинтеза хлорофиллу нужен свет. Но не весь свет хлорофилл может поглотить:

Интенсивность поглощения оптического диапазона спектра хлорофиллом

Из графика видно, что пики поглощения находятся на синем и красных частях спектра, в то время как зеленая часть спектра для фотосинтеза практически бесполезна.

Солнечный (натуральный) свет

В осенне-зимний период многим растениям необходимо дополнительное освещение. Так чем-же освещать растения? Ниже небольшое сравнение.

С первого взгляда кажется, что источник света должен максимально соответствовать естественному освещению, то есть Солнцу.

Интенсивность излучения Солнца

В солнечном спектре около 5% излучения приходится на ультрафиолет, 45% - на видимый диапазон, и 50% - на тепловое (инфракрасное) излучение. К тому-же как сама атмосфера, так и и различные виды облаков выступают в качестве фильтров, что сильно влияет на свет, который достигает земли.

Основная часть волн, достигающих земли, находятся в диапазоне 400 - 500 нанометров - это "зеленая" часть спектра, которая хлорофиллом практически не используется.
Так что будем подбирать источник освещения, который максимально подойдет зеленым растениям.

Лампочка Ильича

Обычная лампочка. В ней свет образуется за счет разогрева до очень больших температур вольфрамовой нити накаливания. Лампа дает непрерывный спектр очень похож на солнечный. Синей части спектра очень мало, но много красного. Более половины энергии излучается в виде тепла, что может вызвать перегрев и ожог растений если лампочка будет находится слишком близко. Как раз по этой причине многие растения не выносят прямых солнечных лучей. Но если отодвинуть лампу подальше, то хлорофиллу для фотосинтеза будет не хватать синего света, которого и так мало в лампе накаливания. Так что для досветки зеленых растений лампа накаливания мало пригодна.

Люминесцентные газоразрядные лампы

В них происходит электрический разряд в газах, которые вызывают свечение в ультрафиолетовой части спектра, а люминофор, нанесенный на внутреннюю поверхность трубки, преобразует ультрафиолет в видимый спектр. Эти лампы дают прерывистый спектр излучения, который полностью зависит от люминофора. Наш глаз суммирует эти цвета и воспринимает их как белый свет. В зависимости от используемого люминофора (и, соответственно, от цены) пиков у такой лампы может быть три (синий, зеленый, красный) и больше. От соотношений этих цветов зависит цветовая температура лампы - субъективное восприятие человеком "теплоты" или "холодности" света.

Для нас важно то, что пики спектров таких ламп находятся в синем и красном диапазонах. Но по-прежнему половина излучения такой лампы приходится на зеленый. Люминесцентные лампы греются на порядок меньше, чем лампы накаливания, что позволяет их использовать в мини-теплицах и гроубоксах, и меньше заморачиваться отводом тепла.

Светодиодная лампа

Свет светодиодной лампы состоит из двух компонентов: синий компонент - это цвет самого светодиода, и зелено-желтая - это свечение люминофора, нанесенного сверху на светодиод. Плюсом лампы является пик в синей части спектра, минусами - недостаточная мощность светового потока и практически полное отсутствие красной компоненты и относительная дороговизна.

Светодиодные фитолампы

Состоят из сверхярких светодиодов красного и синего цвета. Дают нужный спектр, но как и у обычных светодиодных ламп мощность светового потока у них невысокая. Да и цена довольно ощутима для семейного бюджета.

Дуговые натриевые лампы высокого давления (ДНаТ)

Широко разрекламированные для садоводства как "лучшие лампы для выращивания растений" натриевые лампы высокого давления. Имеют очень большую мощность светового потока, на порядки превосходящую как светодиоды, так и люминесцентные лампы.

Во-первых, температура такой лампы более 400˚C, что может быть приемлемо в больших теплицах, но создает дополнительные трудности в домашней мини-теплице или гроубоксе, поскольку требует дополнительного отвода тепла.

Спектр ДНаТ'а с сайта производителя

Две трети излучаемого света приходится на часть спектра от 500 до 600 нанометров, которую хлорофилл не может использовать. Большая часть оставшегося излучения приходится на красный спектр, и лишь незначительная - на синий.

Вместо выводов

Оптимальным вариантом для домашнего гроубокса будет использование комбинации светодиодной, люминесцентной и слабой лампы накаливания.

По типу питания живые организмы делятся на автотрофы, гетеротрофы и миксотрофы. Автотрофы (греч. αὐτός — сам + τροφ - пища) - организмы, которые самостоятельно способны синтезировать органические вещества из неорганических. Гетеротрофы (греч. ἕτερος - иной + τροφή - пища) - организмы, использующие для питания готовые органические вещества.

Наконец, миксотрофы (греч. μῖξις - смешение + τροφή - пища) - организмы, которые могут использовать как гетеротрофный, так и автотрофный способ питания. К примеру, эвглена зеленая на свету начинает фотосинтезировать, а в темноте питается гетеротрофно.

Фотосинтез

Фотосинтез (греч. φῶς - свет и σύνθεσις - синтез) - сложный химический процесс преобразования энергии квантов света в энергию химических связей. В результате фотосинтеза происходит синтез органических веществ из неорганических.

Этот процесс уникален и происходит только в растительных клетках, а также у некоторых бактерий. Фотосинтез осуществляется при участии хлорофилла (греч. χλωρός - зелёный и φύλλον - лист) - зеленого пигмента, окрашивающего органы растений в зеленый цвет. Существуют и другие вспомогательные пигменты, которые вместе с хлорофиллом выполняют светособирающую или светозащитную функции.

Ниже вы увидите сравнение строения хлорофилла и гемоглобина. Обратите внимание, что в центре молекулы хлорофилла находится ион Mg.

В высшей степени гениально значение процесса фотосинтеза подчеркнул русский ученый К.А. Тимирязев: "Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа или, вернее, вне хлорофиллового зерна в природе не существует лаборатории, где бы выделялось органическое вещество. Во всех других органах и организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь из вещества неорганического"

Более подробно мы обсудим значение фотосинтеза в завершение этой статьи. Фотосинтез состоит из двух фаз: светозависимой (световой) и светонезависимой (темновой). Я рекомендую использовать названия светозависимая и светонезависимая, так как они способствуют более глубокому (и правильному!) пониманию фотосинтеза.

Светозависимая фаза (световая)

Эта фаза происходит только на свету на мембранах тилакоидов в хлоропластах. В ней принимают участие различные ферменты, белки-переносчики, молекулы АТФ-синтетазы и зеленый пигмент хлорофилл.

Хлорофилл выполняет две функции: поглощения и передачи энергии. При воздействии кванта света хлорофилл теряет электрон, переходя в возбужденное состояние. С помощью переносчиков электроны скапливаются с наружной поверхности мембраны тилакоидов, тем временем внутри тилакоида происходит фотолиз воды (разложение под действием света):

Гидроксид-ионы отдают лишний электрон, превращаясь в реакционно способные радикалы OH, которые собираются вместе и образуют молекулу воды и свободный кислород (это побочный продукт, который в дальнейшем удаляется в ходе газообмена).

Образовавшиеся при фотолизе воды протоны (H + ) скапливаются с внутренней стороны мембраны тилакоидов, а электроны - с внешней. В результате по обе стороны мембраны накапливаются противоположные заряды.

При достижении критической разницы, часть протонов проталкивается на внешнюю сторону мембраны через канал АТФ-синтетазы. В результате этого выделяется энергия, которая может быть использована для фосфорилирования молекул АДФ:

Протоны, попав на поверхность мембраны тилакоидов, соединяются с электронами и образуют атомарный водород, который используется для восстановления молекулы-переносчика НАДФ (никотинамиддинуклеотидфосфат). Благодаря этому окисленная форма - НАФД + превращается в восстановленную - НАДФ∗H₂.

Свободный кислород O₂ - в результате фотолиза воды
АТФ - универсальный источник энергии
НАДФ∗H₂ - форма запасания атомов водорода

Кислород удаляется из клетки как побочный продукт фотосинтеза, он совершенно не нужен растению. АТФ и НАДФ∗H₂ в дальнейшем оказываются более полезны: они транспортируются в строму хлоропласта и принимают участие в светонезависимой фазе фотосинтеза.

Светонезависимая (темновая) фаза

Светонезависимая фаза происходит в строме (матриксе) хлоропласта постоянно: и днем, и ночью - вне зависимости от освещения.

При участии АТФ и НАДФ∗H₂ происходит восстановление CO₂ до глюкозы C₆H₁₂O₆. В светонезависимой фазе происходит цикл Кальвина, в ходе которого и образуется глюкоза. Для образования одной молекулы глюкозы требуется 6 молекул CO₂, 12 НАДФ∗H₂ и 18 АТФ.

Таким образом, в результате темновой (светонезависимой) фазы фотосинтеза образуется глюкоза, которая в дальнейшем может быть преобразована в крахмал, служащий для запасания питательных веществ у растений.

Значение фотосинтеза

Значение фотосинтеза невозможно переоценить. Уверенно утверждаю: именно благодаря этому процессу жизнь на Земле приобрела такие чудесные и изумительные формы, какие мы видим вокруг себя: удивительные растения, прекрасные цветы и самые разнообразные животные.

В разделе эволюции мы уже обсуждали, что изначально в составе атмосферы Земли не было кислорода: миллиарды лет назад его начали вырабатывать первые фотосинтезирующие бактерии - сине-зеленые водоросли (цианобактерии). Постепенно кислород накапливался, и со временем на Земле стало возможно аэробное (кислородное) дыхание. Возник озоновый слой, защищающий все живое на нашей планете от губительного ультрафиолета.

Синтезируют органические вещества, являющиеся пищей для всего живого на планете
Преобразуют энергию света в энергию химических связей, создают органическую массу
Растения поддерживают определенный процент содержания O₂ в атмосфере, очищают ее от избытка CO₂
Способствуют образованию защитного озонового экрана, поглощающего губительное для жизни ультрафиолетовое излучение

Хемосинтез (греч. chemeia – химия + synthesis - синтез)

Хемосинтез - автотрофный тип питания, который характерен для некоторых микроорганизмов, способных создавать органические вещества из неорганических. Это осуществляется за счет энергии, получаемой при окислении других неорганических соединений (железо- , азото-, серосодержащих веществ).

Хемосинтез был открыт русским микробиологом С.Н. Виноградским в 1888 году. Большинство хемосинтезирующих бактерий относится к аэробам, для жизни им необходим кислород.

При окислении неорганических веществ выделяется энергия, которую организмы запасают в виде энергии химических связей. Так нитрифицирующие бактерии последовательно окисляют аммиак до нитрита, а затем - нитрата. Нитраты могут быть усвоены растениями и служат удобрением.

Серобактерии - окисляют H₂S --> S 0 --> (S +4 O₃) 2- --> (S +6 O₄) 2-
Железобактерии - окисляют Fe +2 -->Fe +3
Водородные бактерии - окисляют H₂ --> H +1 ₂O
Карбоксидобактерии - окисляют CO до CO₂

Значение хемосинтеза

Хемосинтезирующие бактерии являются неотъемлемым звеном круговорота в природе таких элементов как: азот, сера, железо.

Нитрифицирующие бактерии обеспечивают переработку (нейтрализацию) ядовитого вещества - аммиака. Они также обогащают почву нитратами, которые очень важны для нормального роста и развития растений.

Усвоение нитратов происходит за счет клубеньковых бактерий на корнях бобовых растений, однако важно помнить, что клубеньковые (азотфиксирующие) бактерии, в отличие от нитрифицирующих бактерий, питаются гетеротрофно.

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Читайте также: