Фотосинтез

Мы объясним, что такое фотосинтез, его характеристики, уравнение и фазы. Кроме того, почему он важен для мировых экосистем
Фотосинтез является основным механизмом питания растений и других автотрофных организмов

Что такое фотосинтез?

Фотосинтез – это биохимический процесс, с помощью которого растения , 421FT водоросли и фотосинтетические бактерии преобразуют неорганические вещества (углекислый газ и воду) в органические вещества (сахара), используя энергию солнечного света. Это основной механизм питания всех автотрофных организмов , обладающих хлорофиллом, который является необходимым пигментом для процесса фотосинтеза

Фотосинтез является одним из самых важных биохимических механизмов на планете, поскольку он включает в себя производство органических питательных веществ, которые аккумулируют световую энергию от солнца в различные полезные молекулы (углеводы). На самом деле, название этого процесса происходит от греческих слов foto – свет и synthesis – композиция

После фотосинтеза синтезированные органические молекулы могут быть использованы в качестве источника химической энергии для поддержания жизненно важных процессов, таких как клеточное дыхание и другие реакции, которые являются частью метаболизма живых существ

Для осуществления фотосинтеза необходимо наличие хлорофилла , чувствительного к солнечному свету пигмента, который придает растениям и водорослям характерную зеленую окраску. Этот пигмент содержится в хлоропластах – клеточных органеллах разного размера, которые находятся в клетках растений , особенно в клетках листьев. Хлоропласты содержат набор белков ферментов , которые обеспечивают протекание сложных реакций, являющихся частью процесса фотосинтеза

Процесс фотосинтеза является основополагающим для экосистемы жизни , как мы ее знаем, поскольку он обеспечивает создание и циркуляцию органических веществ и фиксацию неорганических веществ. Кроме того, в процессе кислородного фотосинтеза образуется кислород, который необходим большинству живых существ для дыхания

Типы фотосинтеза

Можно выделить два типа фотосинтеза, в зависимости от веществ, используемых организмом для осуществления реакции:

• кислородный фотосинтез. Она характеризуется использованием воды (H2O) для уменьшения количества потребляемого углекислого газа (CO2). При этом типе фотосинтеза не только производятся полезные для организма сахара, но и в качестве продукта реакции получается кислород (O2). Растения, водоросли и цианобактерии осуществляют кислородный фотосинтез.
• аноксигенный фотосинтез. Организм не использует воду для восстановления углекислого газа (CO2), а вместо этого использует солнечный свет для расщепления молекул сероводорода (H2S) или газообразного водорода (H2). Этот тип фотосинтеза не производит кислород (O2), а выделяет серу в качестве продукта реакции. Аноксигенный фотосинтез осуществляется так называемыми зелеными и пурпурными серными бактериями, которые содержат фотосинтетические пигменты, объединенные под названием бактериохлорофиллы, отличающиеся от хлорофилла растений.

Характеристика фотосинтеза

В растениях и водорослях фотосинтез происходит в органеллах, называемых хлоропластами.

В широком смысле фотосинтез характеризуется следующим:

• Это биохимический процесс использования солнечного света для получения органических соединений, то есть синтез питательных веществ из неорганических элементов, таких как вода (H2O) и углекислый газ (CO2).
• Она может осуществляться различными автотрофными организмами , если они имеют фотосинтетические пигменты (наиболее важный из них – хлорофилл). Это процесс питания растений (как наземных, так и водных), водорослей, фитопланктона , фотосинтезирующих бактерий. Несколько животных способны к фотосинтезу, в том числе морской слизень Elysia chlorotica и пятнистая саламандра Ambystoma maculatum (последняя делает это посредством симбиоза с водорослью).
• У растений и водорослей фотосинтез происходит в специализированных органеллах, называемых хлоропластами, в которых находится хлорофилл. Фотосинтезирующие бактерии также обладают хлорофиллом (или другими аналогичными пигментами), но не имеют хлоропластов.
• Существует два типа фотосинтеза, в зависимости от вещества, используемого для фиксации углерода из углекислого газа (CO2). Кислородный фотосинтез использует воду (H2O) и производит кислород (O2), который выделяется в окружающую среду. При аноксигенном фотосинтезе используется сероводород (H2S) или водородный газ (H2), при этом не образуется кислород, а выделяется сера.
• Связь между солнечным светом и растениями была постулирована еще в Древней Греции. Однако успехи в изучении и понимании фотосинтеза начали приобретать все большее значение благодаря вкладу целой череды ученых в 18, 19 и 20 веках. Например, первым, кто продемонстрировал образование кислорода в растениях, был английский священнослужитель Джозеф Пристли (1732-1804), а первым, кто сформулировал основное уравнение фотосинтеза, был немецкий ботаник Фердинанд Закс (1832-1897). Позже американский биохимик Мелвин Кельвин (1911-1997) сделал еще один огромный вклад, раскрыв цикл Кельвина (одну из фаз фотосинтеза), что принесло ему Нобелевскую премию по химии в 1961 году.

Уравнение фотосинтеза

Общее уравнение кислородного фотосинтеза выглядит следующим образом:

Правильный способ химической формулировки этого уравнения, то есть сбалансированное уравнение этой реакции, выглядит следующим образом:

Фазы фотосинтеза

Фотохимическая стадия фотосинтеза происходит в присутствии солнечного света.

Фотосинтез как химический процесс протекает в две различные стадии: световую (или светящуюся) стадию и темновую стадию, названные так потому, что в присутствии солнечного света непосредственно протекает только первая стадия (что не означает, что вторая обязательно протекает в темноте)

• Световая или фотохимическая стадия. На этом этапе внутри растения происходят светозависимые реакции, т.е. растение улавливает солнечную энергию через хлорофилл и использует ее для производства АТФ и NADPH. Все начинается с того, что молекула хлорофилла вступает в контакт с солнечной радиацией, и электроны в ее внешних слоях возбуждаются, которая создает электронно-транспортную цепь (подобно электричеству ), используемую для синтеза АТФ (аденозинтрифосфата) и NADPH (никотин-аденин-динуклеотидфосфата). Расщепление молекулы воды в процессе, называемом фотолизом, позволяет молекуле хлорофилла вернуть электрон, который она потеряла при возбуждении (для осуществления световой фазы требуется возбуждение нескольких молекул хлорофилла). В результате фотолиза двух молекул воды образуется одна молекула кислорода, которая выбрасывается в атмосферу в качестве побочного продукта этой фазы фотосинтеза.
• Темная или синтетическая сцена. На этом этапе, который проходит в матриксе или строме хлоропластов, растение использует углекислый газ и молекулы, образовавшиеся на предыдущем этапе (химическая энергия), для синтеза органических веществ через цепь очень сложных химических реакций, известных как цикл Кальвина-Бенсона. В ходе этого цикла, при участии различных ферментов, ранее образованных АТФ и NADPH, глюкоза синтезируется из углекислого газа, который растение получает из атмосферы. Включение углекислого газа в органические соединения известно как фиксация углерода.

Важность фотосинтеза

При фотосинтезе кислород выделяется в атмосферу и воду.

Фотосинтез является жизненно важным и центральным процессом в биосфере по многим причинам. Первое и самое очевидное – это то, что он производит кислород (O2) , газ, необходимый для дыхания как в воде, так и в воздухе. Без растений большинство живых существ (включая человека ) просто не смогли бы выжить

С другой стороны, поглощая его из окружающей среды, растения фиксируют углекислый газ (CO2), преобразуя его в органические вещества. Этот газ, который мы выдыхаем при дыхании, потенциально токсичен, если не держать его в определенных пределах

Поскольку растения используют углекислый газ для производства пищи , уменьшение количества растений на планете влияет на увеличение количества этого газа в атмосфере, где он действует как агент глобального потепления. Например, CO2 действует как парниковый газ , препятствуя излучению из атмосферы избыточного тепла , достигающего Земли. По оценкам, каждый год фотосинтезирующие организмы фиксируют около 100 миллиардов тонн углерода в виде органических веществ