Что такое фотосинтез и как он происходит
. Фазы, формула и значение процесса для жизни на Земле
Фотосинтез лежит в основе жизни на Земле: благодаря этому процессу образуется кислород. Он происходит в листьях и стеблях растений, а основные «драйверы» — солнечный свет, вода и углекислый газ. Рассказываем, что такое фотосинтез, как он происходит и чем важен для всей экосистемы планеты.
Эксперты в материале:
Что такое фотосинтез
В основе процесса лежат окислительно-восстановительные реакции
Фотосинтез — это процесс, при котором растения, водоросли и цианобактерии преобразуют углекислый газ и воду в органические вещества (глюкозу), выделяя кислород [1]. Растениям фотосинтез нужен для роста и развития, а образующийся при этом кислород необходим для жизни человеку и другим дышащим существам на планете. В основе фотосинтеза лежит поглощение света. В листьях и стеблях растений за это отвечают специальные пигменты, чаще всего — хлорофилл, который придает им зеленый цвет.
Кто открыл фотосинтез
Первым шагом к открытию фотосинтеза стала серия экспериментов Джозефа Пристли в XVIII веке. В 1771 году он обнаружил, что растение, помещенное в «испорченный» воздух, со временем делает его снова пригодным для дыхания животных [2]. Например, он посадил мышь в банку, где только что потухла свеча. Животное очень быстро умерло. Затем он поместил туда растение, и оно продолжило расти. Помещенная вслед в ту же банку мышь выжила. Так он пришел к выводу, что растение может «очистить» воздух.
Ряд ученых пытались повторить его опыты и обнаружили, что в процессе также должен участвовать и солнечный свет. Иначе «очищения» воздуха не происходит. В XIX веке немец Юлиус Сакс смог рассчитать пропорцию: из единицы углекислого газа получается столько же кислорода. Позже, в середине XX века, ученый Мелвин Кальвин с помощью радиоактивных меток подробно изучил преобразование энергии света и описал его последовательные этапы.
Все эти открытия помогли понять роль растений в жизни планеты и химическую суть процесса. Изучение этого природного явления продолжается и в настоящее время. В 2011 году ученые смогли детально изучить, как вода в растениях превращается в кислород [3]. Происходит это с помощью ионов марганца, которые собирают и передают энергию света, «разбивая» молекулу воды на кислород, протоны и электроны. Исследование не только раскрывает детали фотосинтеза, но и дает подсказки для будущих разработок в области солнечной энергетики и синтетических аналогов природы.
Недавние исследования показали, как глобальное потепление влияет на процесс фотосинтеза. В частности, наземные растения за последние 20 лет стали активнее поглощать углекислый газ, а океанические водоросли, особенно в тропических зонах, снизили свою «продуктивность». Эта тенденция может представлять опасность для некоторых пищевых цепей, считают ученые [4].
Формула фотосинтеза
Общая формула фотосинтеза у зеленых растений выглядит так:
Интересный факт: способностью к фотосинтезу обладают не все живые организмы. В основном это растения, водоросли и цианобактерии, говорит Сергей Подковальников, биолог, преподаватель, популяризатор науки и образования. Животные, как правило, не умеют проводить фотосинтез, хотя есть удивительные исключения, например морской слизень — моллюск Elysia chlorotica, рассказывает эксперт. Этот моллюск «крадет» хлоропласты, поедая водоросли, и использует их для получения энергии от света.
Где происходит фотосинтез
Фотосинтез — это сложный процесс, который проходит в несколько этапов
Фотосинтез происходит в растительных тканях, которые содержат хлоропласты — особые структуры в клетках листа, стеблей или даже видимых частях корней. Они работают как «зеленая фабрика», а их строение выглядит следующим образом [5].
- Оболочка. Хлоропласт покрывает двойная оболочка (как пленка в два слоя): внешняя и внутренняя мембраны. Они отделяют «фабрику» от остальной клетки и пропускают нужные вещества внутрь и наружу.
- Строма. Внутри оболочки тягучая жидкость, как желе. Это место, где происходит часть химических реакций (темновая фаза).
- Тилакоиды. Это маленькие зеленые диски, собранные в стопки, или граны. Внутри них содержится зеленый пигмент хлорофилл, поглощающий свет. Здесь проходит световая фаза и появляется кислород.
- Хлорофилл. Это краситель, который делает лист зеленым. Он поглощает свет и запускает химические реакции внутри хлоропласта.
Процесс фотосинтеза
В процессе фотосинтеза участвуют углекислый газ и свет
Фотосинтез — многоэтапный процесс. Главную роль в нем играет хлорофилл — зеленый пигмент, поглощающий фотоны света и запускающий химические перестройки внутри клетки. Фотосинтез происходит в две фазы:
- световая — идет только на свету;
- темновая — светозависимая фаза, может идти и в темноте, если есть накопленные вещества.
Каждый этап выполняет свою цепочку реакций: сначала запасается и преобразуется энергия (световая), потом формируется глюкоза из простых веществ (темновая). Для запуска реакции требуется ряд условий. Это источник энергии и вещество, способное уменьшать степень окисления, — восстановитель, говорит Александр Смирнов, кандидат биологических наук: «Сами по себе растения энергии содержат немного, а вот в глюкозе ее в избытке. Компенсировать этот энергетический дефицит помогает солнечный свет, неограниченный поставщик необходимой энергии.
Есть еще одна задача — изменение степени окисления углерода. В молекуле углекислого газа этот элемент максимально окислен, а в сахаре степень окисления намного меньше. Чтобы добиться нужного результата, требуется запас электронов, которые образуются из водорода, выделяющегося в ходе расщепления воды.
Таким образом, прежде чем синтезировать молекулы глюкозы, необходимо получить «расходные материалы» — энергию и восстановитель. Именно поэтому фотосинтез разделяется на две фазы».
Световая фаза фотосинтеза
Как выглядит процесс фотосинтеза с участием фотосистем
В природе существует особый механизм преобразования солнечной энергии — это специальные комплексы в клетках зеленых организмов, которые называют фотосистемами [6]. Такие структуры состоят из белков и цветных молекул: зеленые пигменты — хлорофиллы, желто-оранжевые — каротиноиды. Они сгруппированы в мембранных «дисках», тилакоидах, внутри зеленых частиц — хлоропластов.
Хлорофилл захватывает красный свет, являющийся главным источником энергии для биохимических процессов, а каротиноиды «работают» с синим и зеленым излучением и передают накопленную энергию дальше по цепочке.
Фотосистема, в свою очередь, поставляет электроны с высокой энергией, которые вырабатывают водородные ионы. Дальше эти атомы соединяются со «спецтранспортом» — соединением НАДФ, чтобы участвовать в следующих этапах биосинтеза сахаров. Ключевые продукты светового этапа — АТФ и восстановленные водороды с НАДФ — используются для создания органических веществ в темновой фазе. Образующийся кислород нужен не только самим растениям, он становится основой дыхания для всего живого.
Процесс проходит так:
- хлорофилл захватывает фотоны света и передает их энергию электронам;
- молекула воды расщепляется на протоны, электроны и кислород, который выделяется в атмосферу;
- заряженные электроны двигаются по мембране, создавая разность потенциалов;
- образуются энергетические молекулы (АТФ) и восстановленный переносчик электронов (НАДФ*Н), которые нужны для следующего этапа.
Темновая фаза
Темновая фаза проходит цикл Кальвина, в результате которого выделяется глюкоза
Эта фаза проходит в строме — пространстве под внутренней мембраной хлоропласта. Образующиеся в процессе молекулы глюкозы превращаются либо в молекулы крахмала (запасной полисахарид), либо в молекулы сахарозы для транспорта по проводящей системе растения.
Процесс темновой фазы выглядит так:
- CO₂ из атмосферы связывается с пятиуглеродным веществом (рибулозодисфосфат), а реакцию катализирует фермент Рубиско;
- происходят последовательные преобразования, в ходе которых CO₂ с помощью энергии АТФ и восстановленной формы НАДФ*Н превращается в молекулы глюкозы, — это называется циклом Кальвина;
- готовая глюкоза откладывается про запас в виде крахмала;
- в результате этого этапа появляется та самая энергия и органика, которой питаются растения, животные и люди.
Значение фотосинтеза
- Образование кислорода: растения производят почти весь кислород на Земле, которым дышат люди и животные.
- Создание органических веществ: все разнообразие пищевых цепей начинается с веществ, образованных в процессе преобразования энергии света, — это база для жизни на Земле.
- Поддержание баланса CO2: растения поглощают излишки углекислого газа, удерживая климат стабильным и предотвращая парниковый эффект.
- Энергетическая основа экосистем: солнечная энергия превращается в питание всего живого.
«В процессе фотосинтеза происходит преобразование энергии солнечного света в энергию химических связей органических соединений, которые со временем трансформируются в ископаемые виды топлива (газ, нефть, уголь, торф). Он фактически создает растительный покров, который защищает почвы от эрозии, регулирует водный режим, формирует микроклимат».
Комментарии эксперта
Чем фотосинтез отличается от хемосинтеза?
«Хемосинтез используется клетками некоторых бактерий и архей (одноклеточные микроорганизмы. — РБК Life). Оба процесса объединяет то, что они позволяют синтезировать органические вещества из неорганических и часто исходными веществами выступают углекислый газ и вода.
Если в фотосинтезе энергия поступает от света, в хемосинтезе она высвобождается при окислении неорганических соединений: серы, железа, азота и других. Кроме того, в хемосинтезе могут использоваться не только молекулы углекислого газа, но и другие источники углерода, например угарный газ или муравьиная кислота. Хемосинтез встречается только у некоторых бактерий и архей».
Какова роль каротиноидов в фотосинтезе, если главный пигмент — хлорофилл?
«Каротиноиды, окрашенные в желтые, красные и оранжевые оттенки, улавливают энергию синего и зеленого света, который хлорофилл почти не поглощает, и передают ее дальше в фотосистемы, тем самым расширяя диапазон спектра, доступного для поглощения. Кроме того, каратиноиды защищают хлорофиллы и другие компоненты фотосистем от разрушения избытком энергии в солнечную погоду».
Почему именно глюкоза является основным продуктом темновой фазы?
«Это наиболее удобный и быстрый источник энергии для клетки. Углеводы легко транспортируются по проводящей системе растения и служат исходным материалом для всех остальных органических веществ растения. Кроме того, они создают тургорное давление, необходимое для поддержания формы клетки растения».
Может ли фотосинтез происходить при искусственном освещении?
«Фотосинтез возможен при искусственном освещении. При этом искусственное освещение должно соответствовать следующим параметрам:
- спектр должен включать красный свет (в диапазоне 600–700 нанометров) — необходим для цветения и плодоношения, стимулирует рост стеблей, запускает процесс репродукции растений;
- синий свет (в диапазоне 400-500 нанометров) — необходим для вегетативного роста;
- интенсивность освещения;
- продолжительность «светового» дня (при искусственном освещении).
Продолжительность зависит от этапа роста растения (вегетативный рост, цветение, плодоношение). Выбор искусственного освещения зависит от многих факторов: растения, места, срока выращивания. А также внешних причин: состояния помещений, их оборудования отражающими элементами».
Главное о фотосинтезе
- Фотосинтез — процесс, при котором растения, водоросли и цианобактерии поглощают энергию солнечного света для производства кислорода.
- Источником энергии при фотосинтезе выступает свет. Он может быть искусственным, но важны интенсивность и определенное содержание красного и синего спектра.
- Место, где происходит фотосинтез — хлоропласты, специальные структуры внутри клеток растений, включающие мембранные тилакоиды и внутреннюю жидкость — стому.
- Этапы фотосинтеза разделены на световую фазу, с поглощением света и образованием энергии, и темновую — использование накопленной энергии для синтеза сахаров.
- В процессе фотосинтеза не только производится кислород, но и формируется основа пищевых цепей, регулируется баланс углекислого газа и поддерживается стабильность климата.
