Образование энергии в фотосинтезирующих организмах

 

 

 

 

 

 

 

 
Тема: Образование энергии в фотосинтезирующих организмах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                       План

• Введение
• Этапы фотосинтеза
• Фазы фотосинтеза
• Фотосинтезирующие организмы
• Стадии фотосинтеза
• Бесхлорофильный фотосинтез
• Заключение
• Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема: Образование энергии в фотосинтезирующих организмах

 

 

 

Введение

 

Фотосинтез это (от греч. φωτο- — свет и σύνθεσις — синтез, совмещение, помещение вместе) — процесс образования органического вещества из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция — совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества. 

Фотосинтез — это образование органических веществ зелеными растениями и некоторыми бактериями с использованием энергии солнечного света. В ходе фотосинтеза происходит поглощение из атмосферы диоксида углерода и выделение кислорода.

Фотосинтез, образование  зелеными растениями и некоторыми бактериями органических веществ с использованием энергии солнечного света. Происходит при участии пигментов (у растений хлорофиллов). В основе фотосинтеза  лежат окислительно-восстановительные  реакции, в которых электроны  переносятся от донора (например, H2O,H2S) к акцептору (CO2) с образованием восстановленных соединений (углеводов) и выделением O2 (если донор электронов H2O), S (если донор электронов, например, H2S) и др.

Фотосинтез – это процесс, от которого зависит вся жизнь  на Земле. Он происходит только в растениях. В ходе фотосинтеза растение вырабатывает из неорганических веществ необходимые  для всего живого органические вещества. Диоксид углерода, содержащийся в  воздухе, проникает в лист через  особые отверстия в эпидермисе листа, которые называют устьицами; вода и  минеральные вещества поступают  из почвы в корни и отсюда транспортируются к листьям по проводящей системе  растения. Энергию, необходимую для  синтеза органических веществ из неорганических, поставляет Солнце; эта  энергия поглощается пигментами растений, главным образом хлорофиллом. В клетке синтез органических веществ протекает в хлоропластах, которые содержат хлорофилл. Свободный кислород, также образующийся в процессе фотосинтеза, выделяется в атмосферу. 

Основные сведения

Слово «фотосинтез» означает буквально создание или сборку чего-то под действием света. Обычно, говоря о фотосинтезе, имеют в виду процесс, посредством которого растения на солнечном  свету синтезируют органические соединения из неорганического сырья. Все формы жизни во Вселенной нуждаются в энергии для роста и поддержания жизни. Водоросли, высшие растения и некоторые типы бактерий улавливают непосредственно энергию солнечного излучения и используют ее для синтеза основных пищевых веществ. Животные не умеют использовать солнечный свет непосредственно в качестве источника энергии, они получают энергию, поедая растения или других животных, питающихся растениями. Итак, в конечном счете источником энергии для всех метаболических процессов на нашей планете, служит Солнце, а процесс фотосинтеза необходим для поддержания всех форм жизни на Земле.

Зеленые растения — биологи  называют их автотрофами — основа жизни на планете. С растений начинаются практически все пищевые цепи. Они превращают энергию, падающую на них в форме солнечного света, в энергию, запасенную в углеводах, из которых важнее всего шестиуглеродный  сахар глюкоза. Этот процесс преобразования энергии называется фотосинтезом. Другие живые организмы получают доступ к этой энергии, поедая растения. Так  создается пищевая цепь, поддерживающая планетарную экосистему.

Химический баланс фотосинтеза  выглядит предельно просто: из 6 молекул CO2 строится молекула гексозы (на схеме  справа). Необходимый для этого  процесса восстановления водород берется из воды; образующийся в ходе фотосинтеза молекулярный кислород является всего лишь побочным товаром (на схеме слева). Процесс нуждается в энергии света, так как вода — очень плохой восстановитель и не способна восстанавливать CO2.

В светозависимой части фотосинтеза, «световой реакции», происходит расщепление  молекул H2O с образованием протонов, электронов и атома кислорода. Электроны, «возбужденные» энергией света, достигают уровня энергии, достаточного для восстановления НАДФ+ (NADP+), Образующийся НАДФ + Н+, в противоположность H2O, является подходящим восстановителем для «фиксации» CO2, т. е. для перевода диоксида углерода в органическое соединение. В световой реакции также образуется АТФ (АТР), который также необходим для фиксации CO2. Если в системе присутствуют НАДФН + Н+, АТФ и соответствующие ферменты, фиксация CO2 может протекать также в темноте; такой процесс называется «темновой реакцией».

Возбуждение электронов для  образования НАДФН — это сложный  фотохимический процесс, в котором  участвует хлорофилл — зеленый, содержащий ионы Mg2+ тетрапиррольный пигмент, несущий дополнительно остаток фитола.

Кроме того, воздух, которым  мы дышим, благодаря фотосинтезу  насыщается кислородом. Суммарное уравнение  фотосинтеза выглядит так: вода + углекислый газ + свет → углеводы + кислород

Растения поглощают углекислый газ, образовавшийся при дыхании, и  выделяют кислород — товар жизнедеятельности растений. К тому же, фотосинтез играет важнейшую роль в круговороте углерода в природе.

Кажется удивительным, что  при всей важности фотосинтеза ученые так долго не приступали к его  изучению. После эксперимента Ван  Гельмонта, поставленного в XVII веке, наступило затишье, и лишь в 1905 году английский физиолог растений Фредерик Блэкман (Frederick Blackman, 1866–1947) провел исследования и установил основные процессы фотосинтеза. Он показал, что фотосинтез начинается при слабом освещении, что скорость фотосинтеза возрастает с увеличением  светового потока, но, начиная с  определенного уровня, дальнейшее усиление освещения уже не приводит к повышению  активности фотосинтеза. Блэкман показал, что повышение температуры при  слабом освещении не влияет на скорость фотосинтеза, но при одновременном  повышении температуры и освещения  скорость фотосинтеза возрастает значительно  больше, чем при одном лишь усилении освещения.

На основании этих экспериментов  Блэкман заключил, что происходят два процесса: один из них в значительной степени зависит от уровня освещения, но не от температуры, тогда как второй сильно определяется температурой независимо от уровня света. Это озарение легло  в основу современных представлений  о фотосинтезе. Два процесса иногда называют «световой» и «темновой» реакцией, что не вполне корректно, поскольку оказалось, что, хотя реакции «темновой» фазы идут и в отсутствии света, для них необходимы продукты «световой» фазы.

Фотосинтез начинается с  того, что излучаемые солнцем фотоны попадают в особые пигментные молекулы, находящиеся в листе, — молекулы хлорофилла. Хлорофилл содержится в  клетках листа, в мембранах клеточных  органелл хлоропластов (именно они  придают листу зеленую окраску). Процесс улавливания энергии  состоит из двух этапов и осуществляется в раздельных кластерах молекул  — эти кластеры принято называть Фотосистемой I и Фотосистемой II. Номера кластеров отражают порядок, в котором эти процессы были открыты, и это одна из забавных научных странностей, поскольку в листе сначала происходят реакции в Фотосистеме II, и лишь затем — в Фотосистеме I. 

 

Когда фотон сталкивается с 250-400 молекулами Фотосистемы II, энергия  скачкообразно возрастает и передается на молекулу хлорофилла. В этот момент происходят две химические реакции: молекула хлорофилла теряет два электрона (которые принимает другая молекула, называемая акцептором электронов) и  расщепляется молекула воды. Электроны  двух атомов водорода, входивших в молекулу воды, возмещают два потерянных хлорофиллом электрона.

После этого высокоэнергетический («быстрый») электрон перекидывают друг другу, как горячую картофелину, собранные в цепочку молекулярные переносчики. При этом часть энергии  идет на образование молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), одного из основных переносчиков энергии в клетке. Тем временем немного другая молекула хлорофилла Фотосистемы I поглощает энергию  фотона и отдает электрон другой молекуле-акцептору. Этот электрон замещается в хлорофилле электроном, прибывшим по цепи переносчиков из Фотосистемы II. Энергия электрона  из Фотосистемы I и ионы водорода, образовавшиеся ранее при расщеплении молекулы воды, идут на образование НАДФ-Н, другой молекулы-переносчика.

В результате процесса улавливания  света энергия двух фотонов запасается в молекулах, используемых клеткой  для осуществления реакций, и  дополнительно образуется одна молекула кислорода. (Отмечу, что в результате еще одного, значительно менее  эффективного процесса с участием одной  лишь Фотосистемы I, также образуются молекулы АТФ.) После того как солнечная  энергия поглощена и запасена, наступает очередь образования  углеводов. Основной механизм синтеза углеводов в растениях был открыт Мелвином Калвином, проделавшим в 1940-е годы серию экспериментов, ставших уже классическими. Калвин и его сотрудники выращивали водоросль в присутствии углекислого газа, содержащего радиоактивный углерод-14. Им удалось установить химические реакции темновой фазы, прерывая фотосинтез на разных стадиях.

Цикл превращения солнечной  энергии в углеводы — так называемый цикл Калвина — сходен с циклом Кребса: он тоже состоит из серии  химических реакций, которые начинаются с соединения входящей молекулы с  молекулой-«помощником» с последующей инициацией других химических реакций. Эти реакции приводят к образованию конечного товара и одновременно воспроизводят молекулу-«помощника», и цикл начинается вновь. В цикле Калвина роль такой молекулы-«помощника» выполняет пятиуглеродный сахар рибулозодифосфат (РДФ). Цикл Калвина начинается с того, что молекулы углекислого газа соединяются с РДФ. За счет энергии солнечного света, запасенной в форме АТФ и НАДФ-H, сначала происходят химические реакции связывания углерода с образованием углеводов, а затем — реакции воссоздания рибулозодифосфата. На шести витках цикла шесть атомов углерода включаются в молекулы предшественников глюкозы и других углеводов. Этот цикл химических реакций будет продолжаться до тех пор, пока поступает энергия. Благодаря этому циклу энергия солнечного света становится доступной живым организмам.  

 

В большинстве растений осуществляется описанный выше цикл Калвина, в котором  углекислый газ, непосредственно участвуя в реакциях, связывается с рибулозодифосфатом. Эти растения называются C3-растениями, поскольку комплекс «углекислый  газ—рибулозодифосфат» расщепляется на две молекулы меньшего размера, каждая из которых состоит из трех атомов углерода. У некоторых растений (например, у кукурузы и сахарного тростника, а также у многих тропических  трав, включая ползучий сорняк) цикл осуществляется по-другому. Дело в том, что углекислый газ в норме  проникает через отверстия в  поверхности листа, называемые устьицами. При высоких температурах устьица  закрываются, защищая растение от чрезмерной потери влаги. В C3-растения при закрытых устьицах прекращается и поступление  углекислого газа, что приводит к  замедлению фотосинтеза и изменению  фотосинтетических реакций. В случае же кукурузы углекислый газ присоединяется к трехуглеродной молекуле на поверхности  листа, затем переносится во внутренние участки листа, где углекислый газ  высвобождается и начинается цикл Калвина. Благодаря этому довольно сложному процессу фотосинтез у кукурузы осуществляется даже в очень жаркую, сухую погоду. Растения, в которых происходит такой  процесс, мы называем C4-растениями, поскольку  углекислый газ в начале цикла  транспортируется в составе четырехуглеродной  молекулы. C3-растения — это в основном растения умеренного климата, а C4-растения в основном произрастают в тропиках.  

 

Мы пользуемся ископаемым топливом - углем, природным газом, черным золотом и т. д. Все эти виды топлива - не что иное, как продукты разложения наземных и морских растений или животных, и запасенная в них энергия была миллионы лет назад получена из солнечного света. Смерч и дождь тоже обязаны своим возникновением солнечной энергии, а следовательно, энергия ветряных мельниц и гидроэлектростанций (ГЭС) в конечном счете также обусловлена солнечным излучением. 

 

 

 

важнейший путь химических реакций при фотосинтезе - это  превращение углекислоты и воды в углероды и кислород.

Углеводы, образующиеся в  этой реакции, содержат больше энергии, чем исходные вещества, т. е. СО2 и Н20. Таким образом, за счет энергии Солнца энергетические вещества (СО2 и Н20) превращаются в богатые энергией продукты - углеводы и кислород. Энергетические уровни различных реакций, описанных суммарным уравнением, можно охарактеризовать величинами окислительно-восстановительных потенциалов, измеряемых в вольтах. Значения потенциалов показывают, сколько энергии запасается или растрачивается в каждой реакции. Итак, фотосинтез можно рассматривать как процесс образования лучистой энергии Солнца в химическую энергию растительных тканей.

Содержание СО2 в атмосфере остается почти полным, несмотря на то, что углекислый газ расходуется в процессе фотосинтеза. Дело в том, что все растения и животные дышат. В процессе дыхания в митохондриях кислород, поглощаемый из атмосферы живыми тканями, используется для окисления углеводов и других компонентов тканей с образованием в конечном счете двуокиси углерода и воды и с сопутствующим выделением энергии. Высвобождающаяся энергия запасается в высокоэнергетические соединения - аденозинтрифосфат (АТФ), который и используется организмом для выполнения всех жизненных функций. Таким образом дыхание приводит к расходованию органических веществ и кислорода и увеличивает содержание СО2 на н планете. На процессы дыхания во всех живых организмах и на сжигание всех видов топлива, содержащих углерод, в совокупности расходуется в масштабах Земли в среднем около 10000 тонн 02 в секунду. При такой скорости потребления весь кислород в атмосфере должен бы иссякнуть примерно, через 3000 лет. К счастью для нас, затрата органических веществ и атомного кислорода уравновешивается созданием углеводов и кислорода в результате фотосинтеза. В идеальных условиях скорость фотосинтеза в зеленых тканях растений примерно в 30 раз превышает скорость дыхания в тех же тканях, таким образом, фотосинтез служит важным фактором, регулирующим содержание 02 на Земле. 

История

Процесс фотосинтеза описывается  следующей химической реакцией:

СО2 + Н2О + свет → углевод + О2