Фотосинтез и минеральное питание растений (биология 6 класс)

2. Пространственная локализация

Хлоропласты в клетках листа

Фотосинтез растений осуществляется в хлоропластах: обособленных двухмембранных органеллах клетки. Хлоропласты могут быть в клетках плодов, стеблей, однако основным органом фотосинтеза, анатомически приспособленным к его ведению, является лист. В листе наиболее богата хлоропластами ткань палисадной паренхимы. У некоторых суккулентов с вырожденными листьями (например, кактусы) основная фотосинтетическая активность связана со стеблем.

Свет для фотосинтеза захватывается более полно благодаря плоской форме листа, обеспечивающей большое отношение поверхности к объёму. Вода доставляется из корня по развитой сети сосудов (жилок листа). Углекислый газ поступает отчасти посредством диффузии через кутикулу и эпидермис, однако большая его часть диффундирует в лист через устьица и по листу по межклеточному пространству. Растения, осуществляющие С₄ и CAM фотосинтез сформировали особые механизмы для активной ассимиляции углекислого газа.

Внутреннее пространство хлоропласта заполнено бесцветным содержимым (стромой) и пронизано мембранами (ламеллами), которые соединяясь друг с другом образуют тилакоиды, которые в свою очередь группируются в стопки, называемые граны. Внутритилакоидное пространство отделено и не сообщается с остальной стромой, предполагается также что внутреннее пространство всех тилакоидов сообщается между собой. Световые стадии фотосинтеза приурочены к мембранам, автотрофная фиксация CO₂ происходит в строме.

В хлоропластах имеются свои ДНК, РНК, рибосомы (70s типа), идёт синтез белка (хотя этот процесс и контролируется из ядра). Они не синтезируются вновь, а образуются путём деления предшествующих. Всё это позволило считать их предшественниками свободных цианобактерий, вошедших в состав эукариотической клетки в процессе симбиогенеза.

Цианобактерии, таким образом, как бы сами являются хлоропластом и в их клетке фотосинтетический аппарат не вынесен в особую органеллу. Их тилакоиды, однако, не образуют стопок, а формируют различные складчатые структуры (у единственной цианобактерии Gloeobacter violaceus тилакоиды отсутствуют вовсе, а весь фотосинтетический аппарат находится в цитоплазматической мембране, не образующей впячиваний). У них и растений также есть различия в светособирающем комплексе (см. ниже) и пигментном составе .

Значение

Значение фотосинтеза в природе очень велико. Благодаря ему из солнечной энергии вырабатывается жизненно важная органическая субстанция, поддерживающая всю биологическую жизнь на Земле.

Накопление органической массы

Растения накапливают при фотосинтезе углеводы и другие соединения, то есть органическую массу. Все живые организмы на планете могут питаться лишь этой накопленной массой. Пища, полученная из растений, служит основным источником биоэнергии.

Накопление энергии

Вбирая в себя солнечный свет, растения постепенно накапливают энергию. Эта энергия активно используется человеком. Уголь, торф, дрова — все это энергоносители, высвобождающие накопленную биоэнергию.

Недавно американские ученые начали исследовать природные батареи растительного мира и сделали сенсационное открытие: каждый год при благоприятных условиях растениями сохраняется такое количество энергии солнца, что ей можно освещать несколько небольших стран в течение 100 лет.

Кислород в атмосфере

Процесс фотосинтеза позволяет накапливать в атмосфере кислород. Благодаря этому все живые существа дышат и осуществляют свою жизнедеятельность. Также из кислорода образуется озоновый слой, не пропускающий на землю губительные ультрафиолетовые лучи.

Наземные растения способствуют появлению в атмосфере лишь 20 % кислорода, основная масса газовых выделений производится морскими и океанскими водорослями.

Почвообразование

Отмершие растения и их части (корни, опавшие листья) начинают разлагаться в верхнем слое земной поверхности, тем самым образуя состав почвы. Почва развивается благодаря взаимовлиянию элементов органической и неорганической природы. От количества органических элементов зависит ее плодородие.

Наукой доказано, что без взаимодействия продуктов жизнедеятельности животных и бактерий с органическими веществами растений почва образоваться не может.

Основа дыхания

Дыхание — это процесс, противоположный фотосинтезу. То есть происходит распад органической субстанции (углеводов) до неорганической (воды и углекислого газа). Вследствие этого освобождается энергия, необходимая растениям для жизнедеятельности.

Как происходит

Главным двигателем фотосинтеза является хлорофилл – специальный пигмент, содержащийся в клетках растений, который помимо всего прочего отвечает за зеленую окрасу листьев деревьев и прочих растений. Хлорофилл представляет собой сложное органическое соединение, обладающее к тому же важным свойством – способностью к поглощению солнечного света. Поглощая его, именно хлорофилл приводит в действие ту маленькую биохимическую лабораторию, содержащуюся в каждом маленьком листочке, в каждой травине и каждой водоросли. Далее происходит химическая реакция фотосинтеза (формулу смотрите выше) в ходе которой и происходит преображение воды и углекислого газа в необходимые растениям углеводы и необходимый всему живому кислород. Механизмы фотосинтеза являются гениальным творением природы.

Основа жизни на земле

Фотосинтез в биологии – это преобразование органических веществ и кислорода из неорганических соединений под воздействием солнечной энергии. Он характерен для всех фотоавтотрофов, которые способны сами вырабатывать органические соединения.

К таким организмам относятся растения, зеленые, пурпурные бактерии, цианобактерии (сине-зеленые водоросли).

Растения фотоавтотрофы впитывают из грунта воду, а из воздуха – углекислый газ. Под воздействием энергии Солнца образуется глюкоза, которая впоследствии превращается на полисахарид – крахмал, необходимый растительным организмам для питания, образования энергии

В окружающую среду выделяется кислород – важное вещество, используемое всеми живыми организмами для дыхания

Как происходит фотосинтез. Химическую реакцию можно изобразить с помощью следующего уравнения:

6СО2 + 6Н2О + Е = С6Н12О6 + 6О2

Фотосинтетические реакции происходят в растениях на клеточном уровне, а именно – в хлоропластах, содержащих основной пигмент хлорофилл. Это соединение не только придает растениям зеленую окраску, но и принимает активное участие в самом процессе.

Чтобы лучше разобраться в процессе, нужно ознакомиться со строением зеленых органелл хлоропластов.

Строение хлоропластов

Хлоропласты – это органоиды клетки, которые содержатся только в организмах растений, цианобактерий. Каждый хлоропласт покрыт двойной мембраной: внешней и внутренней. Внутреннюю часть хлоропласта заполняет строма – основное вещество, по консистенции напоминающее цитоплазму клетки.

Строение хролопласта

Строма хлоропласта состоит из:

• тилакоидов – структур, напоминающих плоские мешочки, содержащие пигмент хлорофилл,
• гран – группы тилакоидов,
• ламел – канальцев, которые соединяют между собой граны тилакоидов.

Каждая грана имеет вид стопки с монетами, где каждая монетка – это тилакоид, а ламела – полка, на которой выложены граны. Помимо этого хлоропласты имеют собственную генетическую информацию, представленную двуспиральными нитями ДНК, а также рибосомы, которые принимают участие при синтезе белка, капли масла, зерна крахмала.

Что такое фотосинтез?

Почему растения фотосинтезируют? Стандартный ответ: «Потому что они зеленые». 

На самом деле, растения получили способность к фотосинтезу благодаря наличию симбиотических органоидов — хлоропластов,  в которых и происходят темновая и световая фазы, а в хлоропластах содержится пигмент хлорофилл, именно он окрашивает растения в зеленый цвет. 

Фотосинтез — одна из реакций обмена веществ. Как любая реакция метаболизма, он идет поэтапно (световая и темновая фазы) и с участием ферментов. Фотосинтез относится к реакциям пластического обмена. Особенность пластического обмена в том, что органические вещества синтезируются, а энергия на это тратится. 

Далее разберем подробно обе фазы и процессы, происходящие в них.

Где идёт фотосинтез

Фотосинтез проходит только в зелёных частях растений, а точнее, в особых органах растительных клеток – хлоропластах.

Рис. 1. Хлоропласты под световым микроскопом.

Хлоропласты являются разновидностью пластид. Они всегда зелёные, т. к. содержат вещество зелёного цвета – хлорофилл.

Хлоропласт отделён от остального объёма клетки мембраной и имеет вид зёрнышка. Внутреннее пространство хлоропласта называется стромой. В ней и начинаются процессы фотосинтеза.

Рис. 2. Внутреннее строение хлоропласта.

Хлоропласты являются как бы фабрикой, на которую поступает сырьё:

• углекислый газ (формула – СО₂);
• вода (Н₂О).

Вода поступает из корней, а углекислый газ – из атмосферы через особые отверстия в листьях-устьица. Свет является энергией для работы фабрики, а полученные органические вещества – продукцией.

Сначала производятся углеводы (глюкоза), но впоследствии из них образуется множество веществ разнообразных запахов и вкусов, которые так любят животные и люди.

Из хлоропластов полученные вещества транспортируются в разные органы растения, где откладываются в запас, либо используются для процессов жизнедеятельности.

Ночное дыхание растений

Процесс дыхания растений мало чем отличается от дыхания животных и человека. Есть и ночное дыхание. Это явление было открыто Отто Варбургом в начале XX века. Ночью света нет, а значит нет и энергии для фотосинтеза. Растения перестают вырабатывать O₂, но не могут перестать дышать. Кислород поглощается, а углекислый газ все так же продолжает выделяться.

Белки, жиры и углеводы, запасенные в процессе жизнедеятельности днем, благодаря циклу Кресса превращаются в углекислый газ, молекулы АТФ и водород.

C₆H₁₂O₆ + 6H₂O → 6CO₂ + 4ATФ +12H₂

АТФ расходуются на дальнейшие нужды, углекислый газ уходит в атмосферу по устьицам, а вот водород окисляется до воды. Растение не может позволить себе сбрасывать водород в атмосферу, поскольку легко может погибнуть от этого, поэтому происходит частичный выброс паров воды. Большая часть организма растения – вода. Она нужна во всех процессах, включая дневное и ночное дыхание. Окисленный водород будет использован вновь в следующих реакциях.

Именно из-за ночного дыхания не рекомендуется ставить цветы в спальнях. Это увеличивает содержание углекислоты в комнате. Что никак не скажется на цветах, но будет чувствительно для человека.

Для дыхания растений существует пороговое значение содержания кислорода. При увеличении содержания О₂ в воздухе до 5-8 процентов – интенсивность дыхания у растений скачкообразно растет. Но после это рост практически прекращается. Сейчас кислорода в воздухе около 21 процента. А значит, растениям еще долго не нужно будет о нем беспокоиться.

В природе есть еще одно интересное явление, названное САМ — фотосинтезом. Это явление характерно для пустынных цветов и растений. В вечной погоне за сохранением водных ресурсов, эти растения приспособились к проведению фотосинтеза в ночь.

https://youtube.com/watch?v=hI5ZELS5qsw

Важность фотосинтеза в природе

Фотосинтез — единственный
процесс в биосфере, который приводит к увеличению ее свободной энергии за счет
внешнего источника. Энергия, накопленная в продуктах фотосинтеза, является
основным источником энергии для человечества.

В результате фотосинтеза на
Земле ежегодно образуется 150 миллиардов тонн органической материи и
высвобождается около 200 миллионов тонн свободного кислорода.

Цикл кислорода, углерода и
других элементов, участвующих в фотосинтезе, поддерживает современный состав
атмосферы, необходимый для жизни на Земле. Фотосинтез предотвращает увеличение
концентрации CO2, предотвращая перегрев Земли из-за так называемого «парникового
эффекта».

Поскольку зеленые растения
являются прямым или косвенным источником пищи для всех других гетеротрофных
организмов, фотосинтез удовлетворяет потребности в питании всего живого на
нашей планете. Это важнейшая основа для сельского и лесного хозяйства. Хотя его
потенциал для действий еще невелик, он также используется в определенной
степени. Например, за счет увеличения концентрации углекислого газа в воздухе
до 0,1% (по сравнению с 0,3% в природной атмосфере) урожайность огурцов и
помидоров возросла втрое.

Один квадратный метр поверхности листа производит около одного грамма сахара в течение одного часа; это означает, что, по приблизительным подсчетам, все растения ежегодно извлекают из атмосферы от 100 до 200 миллиардов тонн сахара. Около 60% этого объема поглощается лесами, которые занимают 30% площади ледяного покрова, 32% — пахотными землями, а остальные 8% — растениями из степных и пустынных районов, а также городов и населенных пунктов.

Экологические группы растений по отношению к свету

В уроке про минеральное питание мы познакомились с по отношению к воде.

Ученые выделяют несколько экологических групп растений и по отношению к свету:

Светолюбивые растения — для них важно получать много света. В их листьях гораздо больше , чем в листьях растений других экологических групп

И они характеризуются очень высокой интенсивностью фотосинтеза. Примеры: акация, сосна, лотос, кактусы.

Теневыносливые растения — они любят свет, но, в принципе, неплохо растут и в тени. Интенсивность фотосинтеза у них ниже, как и количество хлоропластов. Примеры: сныть, огурец, салат, щавель.

Тенелюбивые растения — предпочитают тень и плохо переносят прямые солнечные лучи. Примеры: мхи, папоротники, плауны.

{"questions":,"answer":}}}]}

Значение фотосинтеза

На Земле, пожалуй, практически не существует процессов, которые повлияли на эволюцию планеты так же сильно, как фотосинтез. Давайте разберем основные значения фотосинтеза:

• Сформировалась атмосфера с высоким содержанием кислорода, пригодная для дыхания. Аэробные организмы, включая человека, проводят энергетический обмен с использованием кислорода и получают энергию для жизнедеятельности.
• Возникновение озонового слоя. Вследствие фотосинтеза в атмосфере накопился кислород, что привело к появлению озонового экрана. Жизнь, которая до этого вынуждена была развиваться под водой, боясь ультрафиолета, смогла выйти на сушу и освоить ее.
• Синтез органических веществ. Растения — автотрофные организмы, сами производят органические вещества, которые затем используют гетеротрофы. Вещества, которые образуют растения в процессе фотосинтеза, являются первичным источником веществ и энергии практически для всех живых организмов.

Роль фотосинтеза для биосферы

По самым приблизительным подсчетам, только автотрофные растения, обитающие в водах Мирового океана, ежегодно превращают от 20 до 155 млрд. тонн углерода в органическое вещество. И это при том, что энергия солнечных лучей используется ими лишь на 0,11%. Что касается наземных растений, то они ежегодно поглощают от 16 до 24 млрд. тонн углерода. Все эти данные убедительно говорят о том, насколько велико значение фотосинтеза в природе. Только в результате данной реакции атмосфера восполняется необходимым для жизни молекулярным кислородом, который необходим для горения, дыхания и разнообразной производственной деятельности. Некоторые ученые полагают, что в случае повышения содержания углекислого газа в атмосфере происходит увеличение скорости фотосинтеза. При этом атмосфера пополняется недостающим кислородом.

Растительный мир как основа питания

Немаловажна роль фотосинтеза для лесного и сельского хозяйства. Растительный мир является питательной базой для всех гетеротрофных организмов. Однако значение фотосинтеза кроется не только в поглощении зелеными листьями углекислого газа и получения такого готового продукта уникальной реакции, как сахар. Растения способны преобразовывать азотистые и серные соединения в вещества, из которых слагаются их тела.

Как же это происходит? Каково значение фотосинтеза в жизни растений? Данный процесс осуществляется посредством получения растением ионов нитратов. Эти элементы находятся в почвенной воде. В растение они попадают благодаря корневой системе. Клеточки зеленого организма перерабатывают ионы нитратов в аминокислоты, из которых слагаются белковые цепочки. В процессе фотосинтеза образуются и компоненты жиров. Они для растений являются важными запасными веществами. Так, в семенах многих плодов находится питательное масло. Этот продукт важен и для человека, так как находит применение в пищевой и сельскохозяйственной промышленности.

Примеры заданий на фотосинтез в ЕГЭ и ОГЭ по биологии

 Вопросы по фотосинтезу встречаются как в ЕГЭ, так и в ОГЭ. Причем, если для 9 класса достаточно знать что это такое и основные этапы, то для ЕГЭ необходимо понимание последовательности процессов. Кстати, актуальна эта тема для решения новых заданий по экспериментам (2 и 22 линии в ЕГЭ 2022).  

Задание на фотосинтез в ОГЭ по биологии

Решение. Типичный вопрос для первой части ОГЭ из открытого банка ФИПИ. Какие из этих процессов происходят во время фотосинтеза? Возбуждение молекул хлорофилла квантом света, расщепление (фотолиз) воды и образование глюкозы. 

Во время фотосинтеза, наоборот, выделяется кислород, как побочный продукт, и поглощается углекислый газ. А синтез белка вообще проходит на рибосомах.

Ответ. 123

Задание на фотосинтез в ЕГЭ по биологии

Решение. Это задание из открытого варианта 2021 года (в 2021 эти варианты заменяли варианты досрочного ЕГЭ). Необходимо соотнести процессы и фазы. В световой фазе происходит возбуждение молекулы хлорофилла, фотолиз воды и образование энергии. В темновую фазу фиксируется углекислый газ и восстановление углерода водородом для синтеза глюкозы.

Ответ. 12212

Конечно, процесс фотосинтеза значительно сложнее, чем мы с вами разобрали. Да и на ОГЭ и ЕГЭ проверяют знание многих других тем. Чтобы сдать экзамен на высокий балл, надо знать анатомию, зоологию, генетику, микробиологию и даже психологию. При этом недостаточно только хорошо разбираться в основных темах. Надо уметь избегать ловушек экзаменаторов, вчитываться в формулировки заданий и оформлять ответы в четком соответствии с критериями. Поэтому необходимо готовиться к ОГЭ и ЕГЭ по биологии системно.Экзамен по биологии — не шутка. Если вы хотите сдать его на 90+, записывайтесь на мои курсы подготовки к ОГЭ или ЕГЭ. Мы разберемся со всеми темами, которые спрашивают в 9 или 11 классе, научимся решать задания быстро и правильно, а также разберем основные лайфхаки, которые помогут вам не стрессовать. Я также проведу с вами пробный экзамен в формате реального ОГЭ или ЕГЭ, чтобы вы были готовы к любым неожиданностям. После мы разберем все ошибки и поймем, как избежать их в будущем. Приходите на мои занятия, и я помогу вам сдать ОГЭ или ЕГЭ на самый высокий балл!

Как питается растение?

Раньше люди были уверены, что все вещества для своего питания растения берут из почвы. Но один опыт показал, что это не так.

В горшок с землёй было посажено дерево. При этом измерили массу и земли, и дерева. Когда через несколько лет снова взвесили то и другое, оказалось, что масса земли уменьшилась всего на несколько граммов, а масса растения увеличилась на много килограмм.

В почву вносили только воду. Откуда же взялись эти килограммы растительной массы?

Из воздуха. Все органические вещества растений созданы из углекислого газа атмосферы и почвенной воды.

ТОП-2 статьи

которые читают вместе с этой

Популярные сегодня темы

• Охрана природы

  В нашем современном мире человек является основной угрозой для окружающей нас среды. Люди ежедневно наносят вред природе в результате своей хозяйственной деятельности, к которой можно отнести

• Значение периодического закона Менделеева

  Трудно переоценить тот вклад, который внес русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев в развитие науки. Его закон об упорядочивании химических элементов имел огромное значении не только для хи

• Белка

  Белка – маленький зверек, который большую часть своей жизни проводит на высоте, передвигаясь по кронам деревьев и веткам. Иногда спускается для того, чтобы найти пищу, упавшую на землю

• Созвездие Козерог

  Небо загадочное и таинственное место во вселенной. Днем оно голубое ночью черное. Иногда по нему плывут облака, а бывает оно полностью затянуто тучами.

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

• Столетняя война

  Столетняя война – военное столкновение между Францией и Англией, длящееся в течение 126 лет, с 1337 по 1453 гг. Главной причиной Столетней войны стала нестабильная политическая обстановка на

• Физика в природе

  С первого урока 7 класса все слышали фразу «физика окружает нас». И действительно, без нее мир просто не может существовать, для убеждения в этом рассмотрим пару примеров.

Тест на тему: «Воздушное питание. Фотосинтез»

Лимит времени:

из 15 заданий окончено

Вопросы:

1. 1
2. 2
3. 3
4. 4
5. 5
6. 6
7. 7
8. 8
9. 9
10. 10
11. 11
12. 12
13. 13
14. 14
15. 15

Информация

Проверочное тестовое задание включает в себя вопросы с одним и несколькими правильными ответами

Вы уже проходили тест ранее. Вы не можете запустить его снова.

Тест загружается…

Вы должны войти или зарегистрироваться для того, чтобы начать тест.

Вы должны закончить следующие тесты, чтобы начать этот:

Результаты

Правильных ответов: из 15

Ваше время:

Время вышло

Вы набрали из баллов ()

Средний результат
Ваш результат

максимум из 20 баллов

Место	Имя	Записано	Баллы	Результат
Таблица загружается
Нет данных

1. 1
2. 2
3. 3
4. 4
5. 5
6. 6
7. 7
8. 8
9. 9
10. 10
11. 11
12. 12
13. 13
14. 14
15. 15

1. С ответом
2. С отметкой о просмотре

1. Задание 1 из 15
   • дыхание
   • фотосинтез
   • размножение
   • развитие
   • выделение

   Правильно Неправильно

2. Задание 2 из 15
   • размножение
   • выделение
   • дыхание
   • фотосинтез
   • окисление

   Правильно Неправильно

3. Задание 3 из 15
   • свет
   • кислород
   • азот
   • углекислый газ
   • вода

   Правильно Неправильно

4. Задание 4 из 15
   • белок
   • глюкоза
   • жир
   • целлюлоза
   • фруктоза

   Правильно Неправильно

5. Задание 5 из 15
   • прилистники
   • жилки
   • кожицу
   • устьица
   • черешок

   Правильно Неправильно

6. Задание 6 из 15
   • целлюлозу
   • крахмал
   • хитин
   • жир
   • фруктозу

   Правильно Неправильно

7. Задание 7 из 15
   • воду
   • азот
   • кислород
   • аммиак
   • магний

   Правильно Неправильно

8. Задание 8 из 15
   • Ян Батист ван Гельмонт
   • К.А.Тимирязев
   • Жан Сенебье
   • Р.Гук
   • Антони ван Левенгук

   Правильно Неправильно

9. Задание 9 из 15
   • К. А. Тимирязев
   • Жан Сенебье
   • Ян Батист ван Гельмонт
   • Л.Пастер
   • Р.Броун

   Правильно Неправильно

10. Задание 10 из 15
    • Антони ван Левенгук
    • Жан Сенебье
    • Ян Батист ван Гельмонт
    • К. А. Тимирязев
    • Р.Гук

    Правильно Неправильно

11. Задание 11 из 15
    • хроматофор
    • хлоропласт
    • хлорофилл
    • фукосантин
    • каротин
    • ксантофил
    • антоцианин
    • цитохром

    Правильно Неправильно

12. Задание 12 из 15
    • вода
    • углекислый газ
    • азот
    • железо
    • кислород
    • солнечный свет
    • цинк
    • кальций

    Правильно Неправильно

13. Задание 13 из 15
    • не получают органические вещества в готовом виде из почвы
    • используют углекислый газ
    • получают органические вещества в готовом виде из почвы
    • используют энергию солнца
    • самостоятельно образуют органические вещества
    • используют кислород
    • образуют углекислый газ
    • поглощают углекислый газ

    Правильно Неправильно

14. Задание 14 из 15
    • аммиак
    • азот
    • соляная кислота
    • раствор йода
    • серная кислота
    • азотная кислота
    • раствор поваренной соли
    • сера

    Правильно Неправильно

15. Задание 15 из 15

    Выберите верные утверждения

    • при дыхании растения поглощают кислород
    • при фотосинтезе растения поглощают углекислый газ
    • фотосинтез — основа воздушного питания растений
    • при дыхании растения поглощают углекислый газ
    • солнце — основной источник энергии для растений
    • при фотосинтезе растения выделяют кислород
    • кислород не поддерживает горение

    Правильно Неправильно

Как выполняется процесс фотосинтеза?

Фотосинтез проходит в следующей последовательности:

1. Свет попадает на хлоропласты, которые располагаются в листьях и стеблях зеленых растений.
2. Полуавтономные органеллы, расположенные внутри растительных клеток, начинают потреблять из почвы влагу, которая постепенно расщепляется на водород и кислород.
3. Часть полученного кислорода необходима для окислительных процессов во внутренних структурах самого растения, а остальное выделяется в окружающую его атмосферу.
4. Накопленный в пиреноидах углекислый газ вступает в реакцию с водородом, что приводит к образованию сахаридов.
5. Сахариды взаимодействуют с фосфором, азотом и серой, обеспечивая растения жизненно необходимыми соединениями, например, крахмалом, белком и витаминами.

Рис. 3. Хлоропласты в клетках листа

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 → + 2A + H2O

Буква A в уравнении является переменной, а H2A представляет собой потенциального донора электронов. Например, «A» может обозначать серу в сероводороде (H2S), являющемся донором электронов. ()

Доказательства образования крахмала в листьях на свету

Докажем, что в зеленых листьях растений из углекислого газа и воды образуется крахмал. Для этого рассмотрим опыт, который в свое время был поставлен Юлиусом Саксом.

Комнатное растение (герань или примулу) выдерживают двое суток в темноте, чтобы весь крахмал израсходовался на процессы жизнедеятельности. Затем несколько листьев закрывают с двух сторон черной бумагой так, чтобы была прикрыта только их часть. Днем растение выставляют на свет, а ночью его дополнительно освещают с помощью настольной лампы.

Через сутки исследуемые листья срезают. Чтобы выяснить, в какой части листа образовался крахмал, листья кипятят в воле (чтобы набухли крахмальные зерна), а затем выдерживают в горячем спирте (хлорофилл при этом растворяется, и лист обесцвечивается). Затем листья промывают в воде и действуют на них слабым раствором йода. Тс участки листьев, которые были на свету, приобретают от действия йода синюю окраску. Это означает, что крахмал образовался в клетках освещенной части листа. Следовательно, фотосинтез происходит только на свету.

История изучения фотосинтеза

• В 1771 г. Д. Пристли доказал, что зеленые растения на свету в атмосфере, содержащей углекислый газ, продолжают жить и даже делают воздух пригодным для дыхания.
• В 1774 г. A. Лавуазье получил кислород, обосновал кислородную теорию горения. Считал воздух источником питательных веществ для растений.
• В 1779 г. Я. Ингенхауз установил, что для выделения растениями кислорода необходим свет и что кислород выделяют только зеленые части растений.
• В 1782 г. Ж. Сенебье показал, что растения поглощают из воздуха углекислый газ и выделяют кислород.
• В 1842 г. Р. Майер доказал, что растения преобразуют энергию солнечного света в энергию химических связей.
• В 1877 г. B. Пфеффер назвал процесс выделения растениями воздуха фотосинтезом и полностью описал его.

https://youtube.com/watch?v=EygB0ZExt90

Поделиться ссылкой

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. ()

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. ()

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. ()

Изучение фотосинтеза

Первые опыты по фотосинтезу были проведены Джозефом Пристли в -1780-х годах, когда он обратил внимание на «порчу» воздуха в герметичном сосуде горящей свечой (воздух переставал быть способен поддерживать горение, помещённые в него животные задыхались) и «исправление» его растениями. Пристли сделал вывод что растения выделяют кислород, который необходим для дыхания и горения, однако не заметил что для этого растениям нужен свет

Это показал вскоре Ян Ингенхауз.

Позже было установлено что помимо выделения кислорода растения поглощают углекислый газ и при участии воды синтезируют на свету органическое вещество. В Роберт Майер на основании закона сохранения энергии постулировал что растения преобразуют энергию солнечного света в энергию химических связей. В В. Пфеффер назвал этот процесс фотосинтезом.

Хлорофиллы был впервые выделены в П. Ж. Пелетье и Ж. Кавенту. Разделить пигменты и изучить их по отдельности удалось М. С. Цвету с помощью созданного им метода хроматографии. Спектры поглощения хлорофилла были изучены К. А. Тимирязевым, он же, развивая положения Майера, показал что именно поглощенные позволяют повысить энергию системы, создав вместо слабых связей С-О и О-Н высокоэнергетические С-С (до этого считалось что в фотосинтезе используются жёлтые лучи, не поглощаемые пигментами листа). Сделано это было благодаря созданному им методу учёта фотосинтеза по поглощённому CO₂, в ходе экспериментов по освещению растения светом разных длин волн (разного цвета) оказалось что интенсивность фотосинтеза совпадает со спектром поглощения хлорофилла.

Окислительно-восстановительную сущность фотосинтеза (как оксигенного, так и аноксигенного) постулировал Корнелис ван Ниль. Это означало что кислород в фотосинтезе образуется полностью из воды, что экспериментально подтвердил в А. П. Виноградов в опытах с изотопной меткой. В Роберт Хилл установил что процесс окисления воды (и выделения кислорода), а также ассимиляции CO₂ можно разобщить. В — Д. Арнон установил механизм световых стадий фотосинтеза, а сущность процесса ассимиляции CO₂ была раскрыта Мельвином Кальвином с использованием изотопов углерода в конце 1940-х, за эту работу в ему была присуждена Нобелевская премия.

В была выделена и очищена Rubisco. С₄ фотосинтез был описан Ю. С. Карпиловым в и М. Д. Хэтчем и К. Р. Слэком в .

Тест

1. Что является результатом фотосинтетического процесса:

1) белки,2) жиры,3) углеводы,4) нуклеиновые кислоты.

2. В процессе фотосинтеза впитывается:

1) энергия АТФ,2) энергия солнечного света,3) тепловая энергия,4) энергия окисления органических веществ.

3. Фотосинтез протекает:

1) в ядре,2) в цитоплазме,3) в клетках мезофилла,4) в хлоропластах.

4. Фотосинтетические пигменты располагаются:

1) в ядре,2) в реакционном центре,3) в органах растения,4) в хлоропластах.

5. Молекулы хлорофилла помещаются:

1) в мембранах тилакоидов,2) внутри тилакоидов3) в прокариоте,4) в строме.

6. Стопка тилакоидов образует:

1) строму,2) грану,3) ламеллу,4) альдегидную группу.

7. Клеточное дыхание — это:

1) обеспечение клетки энергией,2) транспорт электронов,3) обеспечение клетки цианобактериями,4) газовыделение.

8. Разложение молекул воды в растении — это:

1) фотолиз,2) гликолиз,3) пигмент,4) реакция.

Правильные ответы на тест: 1—3, 2—2, 3—4, 4—4, 5—1, 6—2, 7—1, 8—1.

Фазы

Фотосинтез подразделяется на два этапа — световой и темновой.

Световая стадия

Происходит в тилакоиде хлоропласта и начинается с воздействия кванта света на молекулу хлорофилла. В молекуле происходит пробуждение электрона, который переходит на более высокий уровень и начинает участвовать в образовании атомов водорода, которые затем расходуются на синтез глюкозы.

При интенсивном воздействии происходит фотолиз (разложение) молекул воды и образуются молекулы:

• химической энергии АТФ (аденозин трифосфат),
• НАДФН (никотинамид аденин динуклеотид фосфат).

Темновая фаза

Не зависит от световой энергии и может проходить как в дневное, так и в ночное время. Из-за того, что процесс происходит циклично, эту фазу часто называют циклом Кальвина. Несмотря на то, что темновая фаза не нуждается в свете для катализации фотосинтеза, ей необходимы пробужденные электроны его световой стадии. Именно они помогают преобразовать углекислый газ в молекулы глюкозы. Это значит, что растение, долго пребывающее без полноценного освещения, не сможет провести реакции темновой фазы, так как для этого процесса необходим материал световой фазы.