С какой целью растение поглощает солнечную энергию
Обновлено: 05.10.2024
Фотосинтез — важнейший процесс превращения энергии Солнца в энергию органических соединений, необходимых для существования всех живых организмов, населяющих нашу планету.
Известный русский учёный К. А. Тимирязев утверждал, что растения выполняют на Земле космическую роль . Он писал:
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.
Все живые организмы на Земле живут за счёт той солнечной энергии, которая получена растениями и законсервирована в процессе фотосинтеза в углеводах и других органических веществах. Углеводы — важный продукт фотосинтеза.
У многих растений углеводы запасаются в органах в виде крахмала: в корнях, видоизменённых побегах (луковицах, клубнях, корневищах), в семенах, а также в виде сахаров (в ягодах, сочных плодах, корнеплодах сахарной свёклы, стеблях сахарного тростника). Именно углеводы используются клетками всех живых организмов в качестве основного источника энергии для жизни.
Часть поглощённой растениями энергии не расходуется и накапливается в органических веществах, входящих в состав древесины, торфа, нефти, угля, природного газа. Поэтому органические вещества — отличный энергоноситель. Люди используют их для получения тепла, которое выделяется при сгорании топлива.
В воздухе углекислого газа содержится около \(0,03\) % по объёму. Эта величина не изменяется много тысячелетий, хотя огромное количество живых существ постоянно выделяет углекислый газ при дыхании. Очень много этого газа образуется при гниении органических остатков, а также при сжигании топлива для обогрева помещений и в двигателях автомобилей. В воздух попадает углекислый газ при лесных пожарах и извержениях вулканов.
Углекислый газ поглощают и используют в фотосинтезе зелёные растения, поддерживая его содержание в воздухе на постоянном уровне.
Пока на Земле не было растений, в её атмосфере отсутствовал кислород. Современный газовый состав атмосферы сформировался благодаря процессу фотосинтеза. Сейчас в воздухе содержится \(21\) % кислорода и все живые организмы имеют возможность дышать им.
Из кислорода на высоте около \(20\) км над Землёй под влиянием солнечных лучей образуется газ озон . Слой озона окружает Землю и создаёт озоновый экран , который поглощает ультрафиолетовые лучи, опасные для всех живых организмов. Озоновый экран создаёт условия для жизни на поверхности суши.
Созданные растениями органические вещества используются другими живыми организмами (животными, грибами, бактериями). Продукты их жизнедеятельности, а также остатки этих организмов попадают в верхний слой земли, разлагаются там бактериями и создают очень важное природное образование — почву.
Почва — это продукт взаимодействия живых организмов с объектами неживой природы. Для образования почвы необходимы органические вещества, источником которых могут быть только живые организмы.
Фотосинтез — важнейший процесс на нашей планете. Он выполняет космическую функцию, запасая в зелёных растениях огромное количество энергии и поставляя в атмосферу кислород.
В клетках растений содержится такое вещество, как хлорофилл , находящийся в хлоропластах . Именно благодаря наличию хлорофилла, под воздействием солнечного света углекислый газ и вода преобразуются в глюкозу (сахар) и крахмал. Благодаря этому процессу, также выделяется большое количество кислорода. Углекислый газ из атмосферы, замещается кислородом, которым мы все дышим. Если кратко отобразить последовательность процессов, то получится такая формула: Вода (Н2О) + углекислый газ (СО2) + Солнечный свет = Углеводы + Кислород. Часть образующихся органических веществ, потребляется самими листьями. Другая же часть откладывается в запас.
Как же осуществляется фотосинтез?
Через устьичные щели в лист поступает углекислый газ. При попадании солнечных лучей на поверхность листа в его хлоропластах происходит сложный процесс: из углекислого газа и воды, всасываемой корнями, образуется органическое вещество — сахар (глюкоза). При этом выделяется кислород. Частично он используется растениями для дыхания, а излишки поступают в воздух также через устьица. Сахар затем превращается в крахмал. Крахмал в воде не растворяется. Образование сахара на свету при участии воды и углекислого газа происходит только в хлоропластах и только за счет энергии солнечного света.
Следовательно, процесс образования в хлоропластах на свету органических веществ из воды и углекислого газа с выделением кислорода называется фотосинтезом (рис.1).
Рис.1 Процесс фотосинтеза
История открытия фотосинтеза
Первые опыты по изучению питания растений провел в 1630 г. голландский врач Ян Батист ван Гельмонт. Он доказал, что растения не получают органические вещества в готовом виде из почвы, а сами образуют их (рис.2)
Рис.2 Опыт Яна Батиста ван Гельмонта
А швейцарский естествоиспытатель Жан Сенебье доказал, что растения используют углекислый газ.
Русский ученый К. А. Тимирязев (1843-1920) впервые описал роль хлорофилла (пигмент, который находится в хлоропластах) в фотосинтезе. Он назвал фотосинтез космическим процессом. Растения используют космическую энергию Солнца. Жизнь как явление существует на нашей планете, только благодаря фотосинтезу, обеспечивающему питанием и кислородом все живое. Может, благодаря фотосинтезу наша планета единственная в Космосе, населенная живыми существами?
Опыт доказывающий образование крахмала в листьях
Доказать процесс образования крахмала в листьях можно путем постановки простого опыта (рис.3)
Рис.3 Образование крахмала в зеленых листьях на свету
Комнатное растение, желательно пеларгонию или примулу, хорошо поливают и ставят в темное место на 2-3 дня. За это время растением расходуется ранее образованный в листьях крахмал. Через 2—3 дня несколько листьев на растении закрывают с двух сторон черной бумагой так, чтобы часть поверхности листа оставалась открытой. Растение выставляют на свет.
Через сутки бумагу убирают, лист срывают, опускают его на одну минуту в кипяток, затем переносят в посуду с горячим спиртом, который в целях предосторожности подогревается на водяной бане. Обесцвеченный лист ополаскивают холодной водой и помещают в плоский сосуд. Расправленный лист заливают слабым раствором йода. Через 2—3 мин можно увидеть, что закрытая часть листа не изменила своего цвета, а та часть листа, на которую попадал свет, окрасилась в синий цвет.
Обработка йодом помогает обнаружить в клетках крахмал. Следовательно, крахмал образуется в листьях только на свету.
В ходе фотосинтеза растение использует углекислый газ и выделяет кислород, который поддерживает горение. Это можно подтвердить следующим опытом.
Следует взять две банки (0,8 л) из светлого стекла и поместить в каждую по 5-6 веточек традесканции. Чтобы растения не завяли, в банки наливают немного воды. Затем небольшие свечи, укрепленные на проволоке, зажигают, опускают в банки и закрывают их. Вскоре свечи погаснут, что указывает на отсутствие в банке кислорода и на увеличение содержания углекислого газа, образовавшегося в результате горения свеч. Свечи вынимают, закрывают обе банки стеклом и выставляют одну на свет, а другую — в темное место. На следующий день банки открывают и опять опускают туда на проволоке зажженные свечи. В банке, стоявшей на свету, свеча горит, а в банке, находившейся в темном месте, — гаснет (рис.4).
Рис. 4 Образование кислорода на свету
Таким образом, вы снова убедились, что зеленые растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород, который поддерживает горение, только на свету, т. е. в процессе фотосинтеза. А при дыхании растения, как и все живые организмы, поглощают кислород, а выделяют углекислый газ.
Подводим итог
Фотосинтез — основа воздушного питания растений. При фотосинтезе зеленые растения с помощью хлорофилла извлекают энергию из солнечного света и с ее помощью создают органические вещества из углекислого газа и воды. Как побочный результат при фотосинтезе выделяется кислород.
Фотосинтез – это процесс, используемый растениями, водорослями и некоторыми бактериями для превращения солнечного света, углекислого газа (CO2) и воды в пищу (сахар) и кислород. Вот обзор общих принципов фотосинтеза и связанных с ним исследований, которые помогут разработать чистые виды топлива и источники возобновляемой энергии.
Виды фотосинтетических процессов
Существует два вида фотосинтетических процессов: кислородный фотосинтез и аноксигенный фотосинтез. Оба они следуют очень похожим принципам, но кислородный фотосинтез является наиболее распространенным и наблюдается у растений, водорослей и цианобактерий.
Кислородный фотосинтез действует как противовес дыханию, поглощая CO2, производимый всеми дышащими организмами, и повторно вводя кислород в атмосферу.
Между тем, аноксигенный фотосинтез использует доноры электронов, которые не являются водой и не производят кислород. Этот процесс обычно происходит у бактерий, таких как зелёные серобактерии и фототрофные пурпурные бактерии. (1)
Уравнение фотосинтеза
Хотя оба вида фотосинтеза являются сложными и многоступенчатыми, общий процесс можно аккуратно резюмировать в виде химического уравнения.
Уравнение кислородного фотосинтеза:
6CO2 + 12H2O + Световая энергия → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
Здесь 6 молекул углекислого газа (CO2) соединяются с 12 молекулами воды (H2O), используя энергию света. Конечным результатом является образование одной молекулы углевода (C6H12O6 или глюкозы) вместе с 6 молекулами кислорода и 6 молекулами воды.
Точно так же различные реакции аноксигенного фотосинтеза можно представить в виде единой обобщенной формулы:
CO2 + 2H2A + световая энергия → [CH2O] + 2A + H2O
Как происходит обмен диоксида углерода и кислорода?
Устьица являются привратниками листа, обеспечивая газообмен между листом и окружающим воздухом. (Изображение предоставлено: Уолдо Нелл / 500px / Getty Images)
Растения поглощают CO2 из окружающего воздуха и выделяют воду и кислород через микроскопические поры на своих листьях, называемые устьицами. Устьица служат воротами газообмена между внутренней частью растений и внешней средой.
Когда устьица открываются, они пропускают СО2; однако, когда устьица открыты, они выделяют кислород и позволяют выйти водяным парам. Чтобы уменьшить потерю воды, устьица закрываются, но это означает, что растение больше не может получать CO2 для фотосинтеза. Этот компромисс между увеличением количества CO2 и потерей воды представляет собой особую проблему для растений, растущих в жарких и засушливых условиях.
Как растения поглощают солнечный свет для фотосинтеза?
Растения содержат особые пигменты, поглощающие световую энергию, необходимую для фотосинтеза.
Хлорофилл является основным пигментом, используемым для фотосинтеза и придающим растениям зеленый цвет. Хлорофилл поглощает красный и синий свет для использования в фотосинтезе и отражает зеленый свет. Хлорофилл – большая молекула, для производства которой требуется много ресурсов; как таковой, он разрушается к концу жизни листа, и большая часть азота (один из строительных блоков хлорофилла) всасывается обратно в растение. Когда осенью листья теряют свой хлорофилл, другие пигменты листьев, такие как каротиноиды и антоцианы, начинают проявлять свой истинный цвет. В то время как каротиноиды в основном поглощают синий свет и отражают желтый, антоцианы поглощают сине-зеленый свет и отражают красный. (3, 4)
С бактериями ситуация немного иная. В то время как цианобактерии содержат хлорофилл, другие бактерии, например, пурпурные бактерии и зелёные серобактерии, содержат бактериохлорофилл, поглощающий свет для аноксигенного фотосинтеза.
Где в растении происходит фотосинтез?
Для фотосинтеза растениям нужна энергия солнечного света. (Изображение предоставлено: Shutterstock)
Фотосинтез происходит в хлоропластах, типе пластид (органеллы с мембраной), которые содержат хлорофилл и в основном обнаруживаются в листьях растений. Двумембранные пластиды в растениях и водорослях известны как первичные пластиды, в то время как мультимембранные пластиды, обнаруженные в планктоне, называются вторичными пластидами. (6)
Хлоропласты похожи на митохондрии, энергетические центры клеток, тем, что у них есть собственный геном или набор генов, содержащихся в кольцевой ДНК. Эти гены кодируют белки, необходимые для органелл и фотосинтеза. (7)
Внутри хлоропластов находятся пластинчатые структуры, называемые тилакоидами, которые отвечают за сбор фотонов света для фотосинтеза. Тилакоиды уложены друг на друга в столбцы, известные как граны. Между гранами находится строма – жидкость, содержащая ферменты, молекулы и ионы, в которой происходит образование сахара. (8)
В конечном итоге световая энергия должна быть передана комплексу пигмент-белок, который может преобразовать ее в химическую энергию в форме электронов. В растениях световая энергия передается пигментам хлорофилла. Преобразование в химическую энергию осуществляется, когда пигмент хлорофилла изгоняет электрон, который затем может перейти к соответствующему получателю.
Пигменты и белки, которые преобразуют энергию света в химическую энергию и запускают процесс переноса электронов, известны как реакционные центры.
Реакции фотосинтеза растений делятся на две основные стадии: те, которые требуют присутствия солнечного света (светозависимые реакции), и те, которые не требуют наличия солнечного света (светонезависимые реакции). В хлоропластах протекают оба типа реакций: светозависимые реакции в тилакоиде и светонезависимые реакции в строме.
Светозависимые реакции
Когда растение поглощает солнечную энергию, ему сначала необходимо преобразовать ее в химическую энергию.
Когда фотон света попадает в реакционный центр, молекула пигмента, такая как хлорофилл, высвобождает электрон.
Светонезависимые реакции: восстановительный пентозофосфатный цикл
Во-первых, CO2 соединяется с рибулозо-1,5-бисфосфатом (РуБФ), который является пятиуглеродным акцептором. Затем он расщепляется на две молекулы трехуглеродного соединения – 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК). Реакция катализируется ферментом РуБФ-карбоксилаза/оксигеназа, также известным как рубиско.
Вторая стадия цикла Кальвина включает преобразование 3-ФГК в трехуглеродный сахар, называемый глицеральдегид-3-фосфатом (Г3Ф) – в процессе используются АТФ и НАДФН. Наконец, в то время как одни молекулы Г3Ф используются для производства глюкозы, другие рециркулируют обратно, чтобы получить РуБФ, который используется на первом этапе для принятия CO2. На каждую молекулу Г3Ф, которая производит глюкозу, пять молекул рециркулируют с образованием трех акцепторных молекул РуБФ.
Фотодыхание
Рубиско может иногда связывать кислород вместо СО2 в цикле Кальвина, который тратит энергию – процесс, известный как фотодыхание. Фермент развился в то время, когда уровни CO2 в атмосфере были высокими, а кислород был редким, поэтому у него не было причин проводить различие между ними. (10, 11)
Фотодыхание представляет собой особенно большую проблему, когда устьица растений закрыты для экономии воды и поэтому больше не поглощают CO2. У рубиско нет другого выбора, кроме как вместо этого восстанавливать кислород, что, в свою очередь, снижает фотосинтетическую эффективность растения. Это означает, что будет производиться меньше пищи растения (сахара), что может привести к замедлению роста и, следовательно, к уменьшению размеров растений.
Это большая проблема для сельского хозяйства, так как меньшие растения означают меньший урожай. На сельскохозяйственную отрасль оказывается растущее давление с целью повышения продуктивности растений, чтобы прокормить постоянно растущее население Земли. Ученые постоянно ищут способы повысить эффективность фотосинтеза и уменьшить частоту неэффективного фотодыхания.
Виды фотосинтеза
Существует три основных вида фотосинтетических путей: C3, C4 и CAM. Все они производят сахар из CO2, используя цикл Кальвина, но каждый путь немного отличается.
Три основных типа фотосинтетических путей – это C3, C4 и CAM. Большинство растений используют фотосинтез C3, включая рис и хлопок. (Изображение предоставлено: Эндрю ТБ Тан / Getty Images)
C3-фотосинтез
Большинство растений используют C3-фотосинтез, включая зерновые (пшеница и рис), хлопок, картофель и сою. C3-фотосинтез назван в честь трехуглеродного соединения, называемого 3-фосфоглицериновой кислотой (3-ФГК), которое он использует во время цикла Кальвина. 3-ФГК образуется, когда рубиско фиксирует CO2, образуя трехуглеродное соединение. (12)
C4-фотосинтез
Такие растения, как кукуруза и сахарный тростник, используют C4-фотосинтез. В этом процессе используется промежуточное соединение, состоящее из четырех атомов углерода (называемое оксалоацетатом), которое превращается в малат. Затем малат транспортируется в проводящий пучок, где он разрушается и выделяет CO2, который затем фиксируется рубиско и превращается в сахара в цикле Кальвина (точно так же, как фотосинтез C3). Растения C4 лучше приспособлены к жаркой и сухой окружающей среде и могут продолжать удерживать углерод, даже когда их устьица закрыты (поскольку у них есть умное решение для хранения), что снижает их риск фотодыхания. (13)
CAM-фотосинтез
Кислотный метаболизм толстянковых (CAM) обнаруживается у растений, адаптированных к очень жарким и сухим условиям, таких как кактусы и ананасы. Когда устьица открываются для поглощения CO2, они рискуют потерять воду во внешнюю среду. Из-за этого растения адаптировались в очень засушливых и жарких условиях. Одна из адаптаций – CAM, при котором растения открывают устьица ночью (когда температура ниже и потеря воды менее опасна). CO2 попадает в растения через устьица, фиксируется в оксалоацетат и превращается в малат или другую органическую кислоту (как в пути C4). Затем CO2 доступен для светозависимых реакций в дневное время, и устьица закрываются, что снижает риск потери воды. (14)
Как фотосинтез может бороться с изменением климата
Фотосинтезирующие организмы – это возможное средство для производства экологически чистого топлива, такого как водород. Группа исследователей из Университета Турку в Финляндии изучила способность зеленых водорослей производить водород. Зеленые водоросли могут выделять водород в течение нескольких секунд, если они сначала подвергаются воздействию темных анаэробных (бескислородных) условий, а затем подвергаются воздействию света. Как сообщается в их исследовании 2018 года, опубликованном в журнале Energy & Environmental Science, исследователи разработали способ продлить производство водорода зелеными водорослями до трех дней. (15)
Ученые также добились успехов в области искусственного фотосинтеза. Например, группа исследователей из Калифорнийского университета в Беркли разработала искусственную систему для улавливания CO2 с использованием нанопроволоки или проводов диаметром в несколько миллиардных долей метра. Проволока проникает в систему микробов, которые уменьшают CO2 в топливо или полимеры, используя энергию солнечного света. Команда опубликовала свой дизайн в 2015 году в журнале Nano Letters. (16)
В 2016 году члены этой же группы опубликовали исследование в журнале Science, в котором описана еще одна искусственная фотосинтетическая система, в которой специально сконструированные бактерии использовались для создания жидкого топлива с использованием солнечного света, воды и CO2. В общем, растения могут использовать только около одного процента солнечной энергии и использовать ее для производства органических соединений во время фотосинтеза. Напротив, искусственная система исследователей смогла использовать 10% солнечной энергии для производства органических соединений. (17)
В 2019 году исследователи написали в Journal of Biological Chemistry, что цианобактерии могут повысить эффективность фермента рубиско. Ученые обнаружили, что эти бактерии особенно хороши в концентрации СО2 в своих клетках, что помогает предотвратить случайное связывание рубиско с кислородом. Понимая, как бактерии достигают этого, ученые надеются внедрить этот механизм в растения, чтобы повысить эффективность фотосинтеза и снизить риск фотодыхания. (18)
Непрерывные исследования природных процессов помогают ученым в разработке новых способов использования различных источников возобновляемой энергии, а использование силы фотосинтеза является логическим шагом для создания экологически чистых и углеродно-нейтральных видов топлива.
Читайте также: