Формирование фотосинтеза. Фотосинтез и его фазы (световая и темновая)

Растения получают все необходимое для роста и развития из окружающей среды. Этим они отличаются от других живых организмов. Для того, чтобы они хорошо развивались, нужны плодородная почва, естественный или искусственный полив и хорошая освещенность. В темноте ничего расти не будет.

Почва является источником воды и питательных органических соединений, микроэлементов. Но деревья, цветы, травы нуждаются также в солнечной энергии. Именно под воздействием солнечных лучей происходят определенные реакции, в результате которых углекислый газ, поглощаемый из воздуха, превращается в кислород. Такой процесс называется фотосинтезом. Химическая реакция, протекающая под воздействием солнечного света, приводит также к образованию глюкозы и воды. Эти вещества жизненно необходимы для того, чтобы растение развивалось.

На языке химиков реакция выглядит так: 6CO2 + 12H2O + свет = С6Н12О6 + 6O2 + 6Н2О. Упрощенный вид уравнения: углекислый газ + вода + свет = глюкоза + кислород + вода.

Дословно «фотосинтез» переводится как «вместе со светом». Это слово состоит из двух простых слов «фото» и «синтез». Солнце является очень мощным источником энергии. Люди используют его для выработки электричества, утепления домов, нагревания воды. Растениям тоже нужна энергия солнца для поддержания жизни. Глюкоза, образующаяся в процессе фотосинтеза - это простой сахар, являющийся одним из самых важных питательных веществ. Растения используют его для роста и развития, а избыток откладывается в листьях, семенах, плодах. Не все количество глюкозы остается в зеленых частях растений и плодах в неизменном виде. Простые сахара имеют свойство превращаться в более сложные, к числу которых можно отнести крахмал. Такие запасы растения расходуют в периоды нехватки питательных веществ. Именно ими обусловлена питательная ценность трав, плодов, цветов, листьев для животных и людей, употребляющих растительную пищу.

Как растения поглощают свет

Процесс фотосинтеза достаточно сложный, но его можно описать кратко, чтобы он стал понятным даже для детей школьного возраста. Один из самых распространенных вопросов касается механизма поглощения света. Каким образом световая энергия попадает в растения? Процесс фотосинтеза протекает в листьях. В листьях всех растений есть зеленые клетки - хлоропласты. Они содержат вещество под названием хлорофилл. Хлорофилл - пигмент, который придает листьям зеленый цвет и отвечает за поглощение световой энергии. Многие люди не задумывались о том, почему листья большинства растений широкие и плоские. Оказывается, природой предусмотрено это не случайно. Широкая поверхность позволяет поглотить большее количество солнечных лучей. По этой же причине солнечные батареи делают широкими и плоскими.

Верхняя часть листьев защищена восковым слоем (кутикулой) от потери воды и неблагоприятного воздействия погоды, вредителей. Его называют палисадным. Если внимательно посмотреть на лист, можно увидеть, что его верхняя сторона более яркая и гладкая. Насыщенный цвет получается за счет того, что в этой части хлоропластов больше. Избыток света может снизить способность растения производить кислород и глюкозу. Под воздействием яркого солнца хлорофилл повреждается и это замедляет фотосинтез. Замедление происходит и с приходом осени, когда света становится меньше, а листья начинают желтеть по причине разрушения в них хлоропластов.

Нельзя недооценивать роль воды в протекании фотосинтеза и в поддержании жизни растений. Вода нужна для:

• обеспечения растений растворенными в ней минералами;
• поддержания тонуса;
• охлаждения;
• возможности протекания химических и физических реакций.

Воду деревья, кустарники, цветы поглощают из почвы корнями, а далее влага поднимается по стеблю, переходит в листья по прожилкам, которые видны даже невооруженным глазом.

Углекислый газ проникает через маленькие отверстия в нижней части листа - устьица. В нижней части листа клетки расположены таким образом, чтобы углекислый газ мог проникать более глубоко. Это также позволяет кислороду, образующемуся при фотосинтезе, легко покидать лист. Как и все живые организмы, растения наделены способностью дышать. При этом, в отличие от животных и людей, они поглощают углекислый газ и выделяют кислород, а не наоборот. Там, где много растений, воздух очень чистый, свежий. Именно поэтому так важно заботиться о деревьях, кустарниках, разбивать скверы и парки в крупных городах.

Световая и темновая фазы фотосинтеза

Процесс фотосинтеза сложный и состоит из двух фаз - световой и темновой. Световая фаза возможна только в присутствии солнечных лучей. Под воздействием света молекулы хлорофилла ионизируются, в результате чего образуется энергия, которая служит катализатором химической реакции. Порядок событий, происходящих в этой фазе, выглядит так:

• на молекулу хлорофилла попадает свет, который поглощается зеленым пигментом и переводит его в возбужденное состояние;
• происходит расщепление воды;
• синтезируется АТФ, которая является аккумулятором энергии.

Темновая фаза фотосинтеза протекает без участия световой энергии. На данном этапе образуется глюкоза и кислород. При этом важно понимать, что образование глюкозы и кислорода происходит круглосуточно, а не только в ночное время. Темновой фаза называется потому, что для ее протекания присутствие света больше не нужно. Катализатором выступает АТФ, которая была синтезирована ранее.

Значение фотосинтеза в природе

Фотосинтез - один из самых значимых природных процессов. Он необходим не только для поддержания жизни растений, но и для всего живого на планете. Фотосинтез нужен для:

• обеспечения животных и людей питанием;
• удаления углекислого газа и насыщения воздуха кислородом;
• поддержания круговорота питательных веществ.

Все растения зависимы от скорости протекания фотосинтеза. Солнечную энергию можно рассматривать в качестве фактора, который провоцирует или сдерживает рост. Например, в южных районах и областях солнца много и растения могут вырастать достаточно высокими. Если рассматривать то, как процесс протекает в водных экосистемах, на поверхности морей, океанов нет недостатка в солнечных лучах и в этих слоях наблюдается обильный рост водорослей. В более глубоких слоях воды существует дефицит солнечной энергии, что сказывается на темпах роста водной флоры.

Процесс фотосинтеза способствует формированию озонового слоя в атмосфере. Это очень важно, так как он помогает защитить все живое на планете от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей.

Любой зеленый листик – это маленькая фабрика кислорода и питательных веществ, необходимых человеку и животным для нормальной жизнедеятельности. Процесс выработки этих веществ из углекислоты и воды из атмосферы называется фотосинтезом.

Фотосинтез – это сложный , происходящий с непосредственным участием света. Само понятие «фотосинтез» происходит от двух греческих слов: «фотос» - свет и «синтез» - совмещение. Процесс фотосинтеза состоит из двух этапов: поглощения квантов света и использование их энергии в различных химических реакциях.Растение поглощает свет с помощью зеленого вещества под названием хлорофилл. Хлорофилл содержится в так называемых хлоропластах, которые могут находиться в стеблях или даже плодах. Особенно много их в , потому что благодаря своей плоской структуре лист способен притянуть больше света, соответственно, получить больше энергии для фотосинтеза. После поглощения хлорофилл переходит в и передает энергию другим молекулам растительного организма, в частности, тем, которые участвуют в фотосинтезе. Второй этап процесса проходит уже без обязательного участия квантов света и состоит в образовании химических связей с участием воды и углекислого газа, получаемого из воздуха. На этой стадии синтезируются различные полезные для жизнедеятельности вещества, такие как и крахмал.Эти органические вещества используются самим растением для питания различных его частей, поддержания нормальной жизнедеятельности. Кроме того, эти вещества получают , питаясь растениями, и люди, которые употребляют в пищу продукты как растительного, так и животного происхождения.Фотосинтез может происходить как под влиянием солнечного, так и искусственного света. На природе растения, как правило, интенсивно «работают» в весенне-летний период, когда солнечного света в избытке. Осенью света становится меньше, день укорачивается, листья желтеют и опадают. Но стоит забрезжить весеннему теплому солнышку, как зеленая листва появляется вновь и зеленые «фабрики» снова начинают свою работу, чтобы дарить кислород, столь необходимый для жизни, и другие питательные вещества.

Видео по теме

Для обеспечения жизнедеятельности все живые существа нуждаются в пище. Гетеротрофные организмы – консументы – используют готовые органические соединения, тогда как автотрофы-продуценты сами создают органические вещества в процессе фотосинтеза и хемосинтеза. Основными продуцентами на Земле являются зеленые растения.

Представляет собой последовательность химических реакций с участием фотосинтетических пигментов, в результате которых на свету создается органическое вещество из углекислого газа и воды. В суммарном уравнении шесть молекул углекислого газа соединяются с шестью молекулами воды и образуют одну молекулу , идущей на выработку энергии и запасание . Также на выходе реакции в качестве «побочного продукта» образуются шесть молекул кислорода. Процесс фотосинтеза состоит из световой и темновой фазы. Кванты света возбуждают электроны молекулы хлорофилла и переводят их на более высокий энергетический уровень. Также при участии световых лучей происходит фотолиз воды – расщепление молекулы воды до катионов водорода, отрицательно заряженных электронов и свободной молекулы кислорода. Энергия, накопленная в молекулярных связях, переходит в аденозинтрифосфат (АТФ) и будет высвобождена на второй стадии фотосинтеза. В темновой фазе углекислый газ непосредственно с с образованием глюкозы. Необходимым условием для протекания фотосинтеза в клетках зеленого пигмента – хлорофилла, поэтому он происходит в зеленых растениях и некоторых фотосинтезирующих бактериях. Фотосинтетические процессы обеспечивают планету органической биомассой, атмосферным кислородом и, как следствие, защитным озоновым экраном. Кроме того, они снижают концентрацию диоксида углерода в атмосфере. Помимо фотосинтеза, углекислый газ может быть переведен в органическое вещество и посредством хемосинтеза, который отличается от первого отсутствием световых реакций. В качестве источника энергии хемосинтетики используют на свет, а энергию окислительно-восстановительных химических реакций. К примеру, нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до азотистой и азотной кислоты, железобактерии превращают двухвалентное железо в трехвалентное, серобактерии окисляют сероводород до серы или серной кислоты. Все эти реакции идут с высвобождением энергии, которая и используется в дальнейшем для синтеза органических веществ. К хемосинтезу способны только некоторые виды бактерий. Бактерии-хемосинтетики не производят атмосферный кислород и не накапливают большого количества биомассы, однако они разрушают горные породы, участвуют в образовании полезных ископаемых и очищают сточные воды. Биогеохимическая роль хемосинтеза заключается в обеспечении круговорота азота, серы, железа и других элементов в природе.

Видео по теме

Фотосинтезом называют процесс, результатом которого является образование и выделение кислорода клетками растений и некоторыми видами бактерий.

Основное понятие

Фотосинтез - это не что иное, как цепочка уникальных физико-химических реакций. В чем же он заключается? Зеленые растения, а также некоторые бактерии поглощают солнечные лучи и преобразовывают их в электромагнитную энергию. Конечным результатом фотосинтеза является энергия химических связей разнообразных органических соединений.

В растении, которое осветили солнечные лучи, в определенной последовательности происходят окислительно-восстановительные реакции. Вода и водород, представляющие собой доноров-восстановителей, перемещаются в виде электронов к акцептору-окислителю (углекислому газу и ацетату). В результате образуются восстановленные соединения углеводов, а также кислород, который и выделяют растения.

История изучения фотосинтеза

На протяжении многих тысячелетий человек был убежден в том, что питание растения происходит по его корневой системе через почву. В начале шестнадцатого века голландским натуралистом Яном Ван Гельмонтом был проведен эксперимент с выращиванием растения в горшке. После взвешивания почвы до посадки и после того как растение достигло определенных размеров, им был сделан вывод о том, что все представители флоры получают питательные вещества в основном из воды. Этой теории придерживались ученые в течение двух последующих столетий.

Неожиданное для всех, но правильное предположение о питании растений было сделано в 1771 г. химиком из Англии Джозефом Пристли. Поставленные им опыты убедительно доказали, что растения способны очистить воздух, который ранее был не пригоден для дыхания человека. Несколько позже был сделан вывод о том, данные процессы невозможны без участия солнечного света. Ученые выяснили, что зеленые листочки растений не просто превращают полученный ими углекислый газ в кислород. Без этого процесса невозможна их жизнь. В совокупности с водой и минеральными солями углекислый газ служит пищей растениям. В этом заключено основное значение фотосинтеза для всех представителей флоры.

Роль кислорода для жизни на Земле

Опыты, которые были проведены английским химиком Пристли, помогли человечеству объяснить, почему воздух на нашей планете остается пригодным для дыхания. Ведь жизнь поддерживается, несмотря на существование огромного количества живых организмов и горение бесчисленного количества огней.

Возникновение жизни на Земле миллиарды лет назад было попросту невозможно. Атмосфера нашей планеты не содержала в себе свободного кислорода. Все изменилось с появлением растений. Весь находящийся сегодня в атмосфере кислород - это результат фотосинтеза, происходящего в зеленых листьях. Данный процесс изменил облик Земли и дал толчок к развитию жизни. Это бесценное значение фотосинтеза было до конца осознано человечеством лишь в конце 18 века.

Не является преувеличением утверждение, что само существование людей на нашей планете зависит от того, каково состояние растительного мира. Значение фотосинтеза заключено в его ведущей роли для протекания различных биосферных процессов. В глобальных масштабах эта удивительная физико-химическая реакция приводит к образованию органических веществ из неорганических.

Классификация процессов фотосинтеза

В зеленом листе происходит три важных реакции. Они и представляют собой фотосинтез. Таблица, в которую заносят данные реакции, применяется при изучении биологии. В ее строки вносят:

Фотосинтез;
- газообмен;
- испарение воды.

Те физико-химические реакции, которые происходят в растении при свете дня, позволяют зеленым листикам выделять двуокись углерода и кислород. В темное время суток - только первый из этих двух компонентов.

Синтез хлорофилла в некоторых растениях происходит даже при слабом и рассеянном освещении.

Основные этапы

Различают две фазы фотосинтеза, которые тесно связаны между собой. На первом этапе энергия лучей света преобразуется в высокоэнергетические соединения АТФ и универсальные восстановители НАДФН. Эти два элемента являются первичными продуктами фотосинтеза.

На втором (темновом) этапе полученные АТФ и НАДФН используются для фиксации углекислоты вплоть до ее восстановления в углеводы. Две фазы фотосинтеза имеют различия не только во времени. Они происходят и в различном пространстве. Тому, кто изучает по биологии тему "фотосинтез", таблица с точным указанием характеристик двух фаз поможет в более точном понимании процесса.

Механизм выработки кислорода

После поглощения растениями углекислого газа в них происходит синтез питательных веществ. Данный процесс осуществляется в зеленых пигментах, называемых хлорофиллами, под воздействием солнечных лучей. Основными составляющими этой удивительной реакции являются:

Свет;
- хлоропласты;
- вода;
- углекислый газ;
- температура.

Последовательность фотосинтеза

Выработка растениями кислорода осуществляется поэтапно. Основными стадиями фотосинтеза являются следующие:

Поглощение света хлорофиллами;
- разделение хлоропластами (внутриклеточными органоидами зеленого пигмента) полученной из почвы воды на кислород и водород;
- перемещение одной части кислорода в атмосферу, а другой - для осуществления дыхательного процесса растениями;
- образование молекул сахара в белковых гранулах (пиреноидах) растений;
- производство крахмалов, витаминов, жиров и т.д. в результате смешивания сахара с азотом.

Несмотря на то, что для осуществления фотосинтеза необходим солнечный свет, данная реакция способна протекать и при искусственном освещении.

Роль растительного мира для Земли

Основные процессы, происходящие в зеленом листе, уже достаточно полно изучила наука биология. Значение фотосинтеза для биосферы огромно. Это единственная реакция, приводящая к росту количества свободной энергии.

В процессе фотосинтеза каждый год происходит образование ста пятидесяти миллиардов тонн вещества органического типа. Кроме того, за указанный период растениями выделяется практически 200 млн. тонн кислорода. В связи с этим можно утверждать, что роль фотосинтеза огромна для всего человечества, так как данный процесс служит основным источником энергии на Земле.

В процессе уникальной физико-химической реакции происходит круговорот углерода, кислорода, а также многих других элементов. Из этого вытекает еще одно немаловажное значение фотосинтеза в природе. Данной реакцией поддерживается определенный состав атмосферы, при котором возможна жизнь на Земле.

Процесс, происходящий в растениях, ограничивает количество углекислого газа, не позволяя ему скапливаться в увеличенных концентрациях. Это также немаловажное значение фотосинтеза. На Земле благодаря зеленым растениям не создается так называемого парникового эффекта. Флора надежно защищает нашу планету от перегрева.

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.

Роль фотосинтеза в получении урожая

В мировой практике работы сельскохозяйственных предприятий широко используются результаты изучения основных закономерностей развития и роста растений. Как известно, основой формирования урожая является фотосинтез. Его интенсивность, в свою очередь, зависит от водного режима культур, а также от их минерального питания. Каким же образом человек добивается увеличения плотности посевов и размеров листьев для того, чтобы растение максимально использовало энергию Солнца и забирало углекислый газ из атмосферы? Для этого оптимизируются условия минерального питания и водоснабжения сельскохозяйственных культур.

Научно доказано, что урожайность зависит от площади зеленых листьев, а также от интенсивности и длительности протекающих в них процессов. Но в то же время увеличение плотности посевов приводит к затенению листьев. К ним не может пробиться солнечный свет, и из-за ухудшения вентиляции воздушных масс в малых объемах поступает углекислый газ. В итоге происходит снижение активности процесса фотосинтеза и уменьшается продуктивность растений.

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.

Космическая роль фотосинтеза

Зеленые растения являются посредниками между нашей планетой и Солнцем. Они улавливают энергию небесного светила и обеспечивают возможность существования жизни на нашей планете.

Фотосинтез представляет собой процесс, о котором можно говорить в космических масштабах, так как он в свое время способствовал преображению образа нашей планеты. Благодаря реакции, проходящей в зеленых листьях, энергия солнечных лучей не рассеивается в пространстве. Она переходит в химическую энергию вновь образованных органических веществ.

Человеческому обществу продукты фотосинтеза нужны не только для пищи, но и для осуществления хозяйственной деятельности.

Однако человечеству важны не только те лучи солнца, которые падают на нашу Землю в настоящее время. Крайне необходимы для жизни и осуществления производственной деятельности те продукты фотосинтеза, которые были получены миллионы лет назад. Они находятся в недрах планеты в виде пластов каменного угля, горючего газа и нефти, торфяных месторождений.

Фотосинтез - это процесс образования органических веществ в зелёных растениях. Фотосинтез создал всю массу растений на Земле и насытил атмосферу кислородом.

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 килограммов.

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

Энергия

Животные и человек питаются растениями, чтобы получить энергию для жизни. Эта энергия содержится в химических связях органических веществ. Откуда она там?

Известно, что растение не может нормально расти без света. Свет и является энергией, с помощью которой растение строит органические вещества своего тела.

Не важно какой это свет, солнечный или электрический. Любой луч света несёт энергию, которая становится энергией химический связей и как клей удерживает атомы в больших молекулах органических веществ.

Где идёт фотосинтез

Фотосинтез проходит только в зелёных частях растений, а точней, в особых органах растительных клеток - хлоропластах.

Рис. 1. Хлоропласты под 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. Свет является энергией для работы фабрики, а полученные органические вещества - продукцией.

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

Из хлоропластов полученные вещества транспортируются в различные органы растения, где откладываются в запас, либо используются.

Реакция фотосинтеза

В общем виде уравнение фотосинтеза выглядит так:

СО₂ + Н₂О = органические вещества + О₂ (кислород)

Зелёные растения входят в группу автотрофов (в переводе - «сам питаюсь») - организмов, которым для получения энергии не нужны другие организмы.

Основная функция фотосинтеза - создание органических веществ, из которых строится тело растений.

Выделение кислорода - побочный эффект процесса.

Значение фотосинтеза

Роль фотосинтеза в природе чрезвычайно велика. Благодаря ему создан весь растительный мир планеты.

Рис. 3. Фотосинтез.

Благодаря фотосинтезу растения:

• являются источником кислорода для атмосферы;
• переводят энергию солнца в доступную для животных и человека форму.

Жизнь на Земле стала возможной при накоплении достаточного количества кислорода в атмосфере. Ни человек, ни животные не смогли бы жить в те далёкие времена, когда его не было, или было мало.

Какая наука изучает процесс фотосинтеза

Фотосинтез изучают разные науки, но больше всего ботаника и физиология растений.

Ботаника - это наука о растениях и, поэтому изучает его как важный жизненный процесс растений.

Наиболее подробно изучает фотосинтез физиология растений. Учёные-физиологи определили, что этот процесс сложный и имеет стадии:

• световую;
• темновую.

Это значит, что фотосинтез начинается на свету, но заканчивается в темноте.

Что мы узнали?

Изучив данную тему по биологии 5 класса, можно объяснить кратко и понятно фотосинтез как процесс образования в растениях органических веществ из неорганических (СО₂ и Н₂О). Его особенности: проходит в зелёных пластидах (хлоропластах), сопровождается выделением кислорода, осуществляется под действием света.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.5 . Всего получено оценок: 412.

Серебристые кислородные пузырьки на листьях растения это завораживающе фантастическое зрелище, свидетельствующие об активных процессах внутри растения.

Пузыряние это термин, который описывает процесс высвобождения растением пузырьков кислорода. Пузыряние происходит в период освещения и является индикатором наиболее активного периода фотосинтеза у растений.

Если интенсивность освещения увеличить (не путать с длительностью освещения) и одновременно увеличить подачу количества CO2 (углекислого газа), то пузыряние ощутимо усиливается. Чем активнее идет процесс фотосинтеза, тем быстрее выделяются пузырьки кислорода.

При достаточном количестве света у водных растений происходит активный процесс образования органических веществ из диоксида углерода (CO 2), воды, минеральных солей азота, фосфора и некоторых других химических элементов. Свет, а точнее, световая энергия это главное условие такого процесса, углекислый газ при этом поглощается, и в результате фотосинтеза растениями активно выделяется кислород.

Если же свет отсутствует или растение испытывает серьезный недостаток освещения, то происходит процесс, обратный фотосинтезу - вместо углекислого газа поглощается кислород (O 2) и выделяется углекислый газ (CO 2). В присутствии кислорода питательные элементы разлагаются, и выделяется некоторое количество тепловой энергии. Диоксид углерода (CO 2) при этом выделяется в качестве побочного продукта. Другими словами, без света растения дышат кислородом и выделяют углекислый газ.

Фотосинтез растения происходит в листьях и зеленых стеблях, внутри клеточных структур, называемых хлоропластами. Каждый лист содержит в себе десятки тысяч клеток, в каждой из которых имеется от 40 до 50 хлоропластов.

Каждый отдельно взятый хлоропласт разделен мембранами дискообразной формы, которые называются гранами (thylakoid ). В мембранах гранов содержатся сотни молекул хлорофилла - улавливающих свет зеленых пигментах, которые активно участвуют в процессе фотосинтеза.

— это пластиды высших растений, в которых идет процесс фотосинтеза, использование энергии световых лучей для образования из неорганических веществ (углекислого газа и воды) органических веществ, с одновременным выделением кислорода. Хлоропласты имеют форму двояковыпуклой линзы, размер их около 4-6 мкм.

Хлоропласты способны перемещаться по клетке. На слабом свету они располагаются под той стенкой клетки, которая больше обращена к свету. При этом хлоропласты обращаются к свету своей большей поверхностью. Если свет слишком интенсивен, они наоборот поворачиваются к нему ребром и выстраиваются вдоль стенок, параллельных лучам света. При средней степени освещенности хлоропласты занимают положение, среднее между двумя крайними, описанными выше. В любом случае, всегда достигается один результат: хлоропласты оказываются в наиболее благоприятных для фотосинтеза условиях освещения.

Помимо хлорофилла в мембранах также присутствуют каротиноиды, желтые, оранжевые, красные или коричневые дополнительные пигменты-модификаторы, которые поглощая определенные участки солнечного спектра, пере-дают энергию этих лучей молекулам хлорофилла. Тем самым, они способствуют использованию тех лучей, которые хлорофиллом не поглощаются. Хлорофилл поглощает красные и синие лучи, тогда как зеле-ные лучи им в основном отражаются.

Наличие хлорофилла* и картиноидов, улавливающих разные лучи спектра означает, что лист растения обладает возможностью абсорбции света с широким спектром, что в свою очередь, приводит к тому, что фотосинтез выполняется постоянно, даже при меняющемся спектре света.

*Среди пигментов преобладает хлорофилл а. К вспомогательным пигментам относятся хлорофилл b, каротиноиды и др.

Свет состоит из фотонов с различной длиной волны - частотой излучения. В этой таблице волна длиной 650 нанометров содержит самое большое количество фотонов на единицу энергии и наименьшее количество самой энергии.

Молекулы хлорофилла активизируются фотонами, а не энергией и фотосинтез достигает своей верхней точки при длине волны с 600 по 700 нанометров - самой большой численности фотонов на единицу энергии. Это наиболее важная область нанометров, способствующая интенсивному росту листьев и осевых органов растений.

Некоторые химические реакции, например, могут начаться только при облучении вещества светом, частота которого выше определённого порогового значения; излучение, частота которого ниже этого значения, вне зависимости от интенсивности, не может инициировать такую реакцию.

Если рассматривать видимую часть спектра, то известно, что самые короткие фиолетовые лучи спектра имеют длину 380 нанометров, а самые длинные красные лучи до 750 нанометров.

Итак подробнее о лучах, в большей мере влияющих на растения.

Красные лучи в сочетании с оранжевыми представляют собой основной вид энергии для фотосинтеза. Этот свет очень полно поглощается хлорофиллом и увеличивает образование углеводов при фотосинтезе. Зона красно-оранжевого света имеет решающее значение для всех физиологических процессов в растениях.

Лучи фиолетовые и синие тормозят рост стеблей, листовых черешков и пластинок, тo есть формируют более компактные растения и более толстые листья, позволяющие лучше поглощать и использовать свет в целом. Эти лучи стимулируют образование белков и органический синтез растений. Сине-фиолетовая часть спектра света почти полностью поглощается хлорофиллом, что создаёт условия для максимальной интенсивности фотосинтеза.

Зелёные лучи практически проходят через листовые пластинки, не поглощаясь ими. Последние под их действием становятся очень тонкими, а осевые органы растений вытягиваются. Уровень фотосинтеза - самый низкий. Зеленый свет хлорофиллом отражается, что и придает растениям специфическую зеленую окраску, если она не маскируется другими пигментами

Кроме видимой части свет для растений имеет значение невидимый свет - ультрафиолет (UV), который в свою очередь, делится на короткие (UVC), средние (UVB) и длинные лучи (UVA).

Средние ультрафиолетовые лучи (длиной 280-315 нанометров) действуют наподобие пониженных температур, способствуя процессу закаливания растений и повышая их холодостойкость. На хлорофилл ультрафиолетовые лучи практически не действуют, у растений, перемещённых из темноты на свет (этиолированных*), хлорофилл интенсивно образуется. Длинные ультрафиолетовые лучи (длиной 315-380 нанометров) необходимы для обмена веществ и роста растений. Они так же задерживают вытягивание стеблей и повышают содержание витамина С.

* Этиолированные растения, выросшие при недостатке света или в темноте. Отличаются белой или желтоватой окраской из-за отсутствия зелёного пигмента растений — хлорофилла, сильно вытянутым стеблем, слабым развитием листьев, механических тканей, устьиц.

При прохождении атмосферы лучи рассеиваются незначительно. Однако, при прохождении толщи воды они поглощаются, теряя энергию. Вода неодинаково поглощает световые лучи различных длин волн, т.е. обладает избирательным (селективным) поглощением. Сильнее всего поглощаются красные лучи, потеря энергии на глубине 30 см составляет 50%. При этом потеря энергии синего луча на глубине в 1 метр составляет всего лишь 0,5%.

Но это не значит, что для аквариума нужно выбирать свет с преобладанием синего. Чем краснее цвет, тем ниже цветовая температура, чем синее цвет, тем цветовая температура выше. Цветовая температура измеряется в Кельвинах (К). При цветовой температуре ниже 5000К растения и вода приобретают нездоровый желтый оттенок, а при 10000К растения выглядят неестественно синими. Оптимальной цветовой температурой, при которой растения выглядят наиболее естественно, может считаться цветовая температура от 7000-8000 К.

Итак, из вышеперечисленного ясно, что для осуществления фотосинтеза необходимы, как минимум два обязательных условия: достаточное количество света и углекислого газа (CO 2). Буквальное значение термина фотосинтез - строить из света.

Упрощенно сам процесс фотосинтеза происходит в два этапа. В первый этап реакция зависит от света. Хлоропласт улавливает энергию фотона и трансформирует ее в химическую энергию, состоящую из двух молекул: НAДФH (восстановленная форма кофермента никотинамидадениндинуклеотид-фосфата ) и ATФ (аденозинтрифосфат ).

Второй этап это уже независимая от света реакция, когда НАДФ-Н 2 отдает атомы водорода для создания глюкозы, при этом АТФ обеспечивает достаточное количество энергии для синтеза глюкозы. При разложении воды образуются кислород и водород. Кислород выделяется в воду, а водород связывается белком ферредоксином. На всех этапах фотосинтеза принимают участие фосфорилированные соединения. АТФ образуется из АДФ путем присоединения к нему еще одного фосфата (Р).

6 CO 2 + 6 H 2 O + световая энергия -> C 6 H 12 O 6 + 6 O 2
углекислый газ + вода + световая энергия приводят к образованию глюкозы + кислорода

Глюкоза это топливо, которое образуется в процессе фотосинтеза и используется растением для построения листьев, стеблей и т.п. Излишки глюкозы хранятся в корнях, стеблях и листьях растения в качестве резерва. Глюкоза может быть трансформирована в целлюлозу, которая используется в качестве материала для построения клеточной ячеистой структуры.

В АТФ аккумулируется много энергии — она затем используется для синтеза, а также для других нужд клетки. НАДФ-H 2 — аккумулятор водорода, причем, легко его отдающий. Следовательно, НАДФ-H 2 является химическим восстановителем. Большое число биосинтезов связано именно с восстановлением, и в качестве поставщика водорода в этих реакциях выступает НАДФ-H 2 . Роль АТФ и восстановленного НАДФ состоит просто в поставке энергии и водорода для темновых реакций.

Множество водных растений, которые сейчас растут в аквариумах, изначально были взяты из природы. В естественных условиях они разрастаются над водой или плавают на поверхности, где, во-первых, освещение более интенсивно, во-вторых, таким образом, они дополнительно получают углекислый газ из атмосферы. Те растения, которые во время своего жизненного цикла постоянно погружены в воду, часто испытывают нехватку диоксида углерода и недостаток освещения, поэтому не могут достигнуть необходимого уровня фотосинтеза, для этого в аквариумах существуют определенные нормы освещения и подачи CO 2 . При подаче углекислого газа важно учитывать изменение параметров воды, в частности, рН. Наиболее оптимальным для фотосинтеза считается промежуток pH от 6,6 до 7,3, концентрацией CO 2 от 25 до 30 ppm.

Некоторые виды растений способны усваивать диоксид углерода через корни из скопившегося на дне ила. Ил может содержать углекислый газ, образующийся в результате разложения органической материи и CO 2 , выделяющийся в результате жизнедеятельности бактерий.

Питание растений так же играет существенную роль в процессе фотосинтеза, поскольку помимо света и диоксида углерода (CO 2) для реакции необходимы определенные химические вещества - макро и микроэлементы. Потребности растений в химических элементах разнятся от условий и места обитания, поэтому количественные составляющие, как правило, берутся в виде средних значений сухой массы веществ содержащихся в растениях.

Особое значение для фотосинтеза водных растений имеют три макроэлемента: азот, фосфор и калий. Потребность растений в этих элементах весьма значительна. После них следуют кальций, магний, сера и железо

Азот (N) . В процессе фотосинтеза участвуют многочисленные белки-ферменты, имеющие в своей структуре атомы азота. В этой связи понятно большое значение уровня азотного пи-тания.

Фосфор (P) . На всех этапах фотосинтеза принимают участие фосфорилированные соединения. АТФ образуется из АДФ путем присоединения к нему еще одного фосфата. Этот процесс носит название фосфорилирования и требует затраты энергии, поэтому значение фосфора в процессе фотосинтеза велико. Энергия све-та аккумулируется в фосфорных связях. При дефиците фосфора нарушаются фо-тохимические и темновые* реакции фотосинтеза

* Темновые, а в некоторой степени и световые реакции контролируются ферментами, поэтому температура воды имеет большое значение. Для наиболее благоприятной температурой является температура примерно 26 °С. При повышении температуры на каждые 10 °С скорость реакции удваивается, (вплоть до 35 °С), однако есть данные, свидетельствующие, что при 26 С растение развивается лучше.

Калий (K) . На свету в замыкающих клетках интенсивно накапливаются катионы калия и сопутствующие им анионы, которые отвечают за ускорение оттока ассимилятов из листьев, увеличение степени открытия устьиц закрытия устьиц (пор листа, через которые происходит газообмен диоксида углерода на кислород в процессе фотосинтеза, а так же водообмен и получение питательных элементов). Глюкоза, которая производится в результате фотосинтеза, должна транспортироваться ко всем частям растения для использования или хранения. Для этого необходима энергия АТФ. Если калия недостаточно, образуется меньше АТФ и транспортировка замедляется, интенсивность фотосинтеза снижается. При недостатке калия интенсивность фотосинтеза снижается очень быстро. При интенсивном газообмене в процессе фотосинтеза кислород образует пузырьки, которые и обозначаются термином пузыряние.

Магний (Mg) и кальций (Ca) . Процессы фотофосфорилирования требуют также обязательного присутствия магния. В состав молекулы хлорофилла входит плоская голова, поглощающая свет, в центре которой расположен атом магния. Этим можно объяснить, почему растения нуждаются в магнии, и почему дефицит магния приводит к уменьшению образования хлорофилла и пожелтению листьев растения. Относительное увеличение содержания магния приводит к усиленному накоп-лению хлорофиллов по сравнению с каротиноидами. Противоположное влияние оказывает увеличение содержания кальция.

Железо (Fe) . Другой пример, это хлорофилл - улавливающие свет пигменты, при недостатке железа листья растения желтеют, поскольку недостаточно вырабатывается зеленого пигмента хлорофилла и фотосинтез существенно замедляется.

Потребность в других химических элементах проявляется в гораздо меньшей степени потребления их водными растениями, поэтому их называют микроэлементами. Среди микроэлементов находятся: хлор, медь, марганец, цинк, молибден, бор.

Марганец (Mn) . Отсутствие марганца резко уг-нетает реакцию Хилла и процесс нециклического фотофосфорилирования в процессе фотосинтеза. Все это значит, что роль марганца определяется его участием в реакциях фотоокисления воды (разложение воды на кислород, электроны и протоны). В естественных условиях фотоокисление воды производится при участии комплекса протеинов, получившего название «фотосистема II», в который входят энзимы, содержащие марганец (они и служат катализаторами).

Для пополнения питательных веществ в воде изготавливаются жидкие и прикорневые удобрения, содержащие макро и микроэлементы в разных пропорциях, дозировка и применение таких удобрений желательно рассчитывать исходя из каждого конкретного случая и параметров воды.

Все эти процессы необходимая часть жизненного цикла и роста растений, увеличение интенсивности освещения и содержания углекислого газа в воде пропорционально увеличивает активность фотосинтеза и потребность растения в питательных элементах.

При наличии всех обязательных условий для фотосинтеза происходит быстрый рост растения и усиливается его жизнеспособность.

Интенсивный фотосинтез это именно то, что отличает здоровое аквариумное растение от того, которое всего лишь выживает в аквариуме

Понимание основ фотосинтеза и представление о том, как это работает - это ключ к успеху, чтобы легко создавать оптимальные условий для активного роста красивых водных растений в аквариуме и эффектного пузыряния.

Специально для сайт,
Button

В статье использовались следующие материалы и фотографии :

Important Plant Enzymes Identified, Brookhaven National Laboratory , www.physorg.com; The Role of Photosynthesis in the Aquarium, Robert Paul Hudson, www.aquabotanic.com,Warner Moll , Swammerdan Institute, Netherlands (1971) ; Растительная клетка, Н. И. Арронет , www.zr.molbiol.ru; Восприимчивость растений к спектру, www.optipar.ru; Фотосинтез водных растений www.science.viniti.ru; Robert Fenner, Aquarium Plant Nutrition . Light Transmissivity in Water ADA, www.leavingbio.net, Photosynthesis. www.acuaticplantcentral.com , vafd

Записей не найдено.

В природе под воздействием солнечного света протекает жизненно важный процесс, без которого не может обойтись ни одно живое существо на планете Земля. В результате реакции в воздух выделяется кислород, которым мы дышим. Этот процесс получила название фотосинтеза. Что такое фотосинтез с научной точки зрения, и что происходит в хлоропластах клеток растений рассмотрим ниже.

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.

Полезное видео: фотосинтез

Основные фазы

Фотосинтез имеет две чередующиеся фазы: световую и темновую. Каждая имеет свои особенности протекания и продукты, образующиеся при определенных реакциях. Две фотосистемы, образованные из вспомогательных светособирающих пигментов хлорофилла и каротиноида, передают энергию главному пигменту. В результате происходит преобразование световой энергии в химическую – АТФ (аденозинтрифосфорную кислоту). Что же происходит в процессах фотосинтеза.

Световая

Световая фаза происходит при попадании фотонов света на растение. В хлоропласте она протекает на мембранах тилакоидов.

Основные процессы:

1. Пигменты фотосистемы І начинают «впитывать» фотоны солнечной энергии, которые передаются на реакционный центр.
2. Под действием фотонов света происходит «возбуждение» электронов в молекуле пигмента (хлорофилла).
3. «Возбужденный» электрон с помощью транспортных белков переносится на наружную мембрану тилакоида.
4. Этот же электрон взаимодействует со сложным соединением НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), восстанавливая его до НАДФ*Н2 (это соединение участвует при темновой фазе).

Подобные процессы происходят и в фотосистеме ІІ. «Возбужденные» электроны покидают реакционный центр и переносятся на внешнюю мембрану тилакоидов, где связываются с акцептором электронов, возвращаются на фотосистему І и восстанавливают ее.

Световая фаза фотосинтеза

А как же восстанавливается фотосистема ІІ? Это происходит за счет фотолиза воды – реакции расщепления Н2О. Вначале молекула воды отдает электроны реакционному центру фотосистемы ІІ, благодаря чему происходит его восстановление. После этого происходит полное расщепление воды на водород и кислород. Последний через устьица эпидермиса листка проникает в окружающую среду.

Изобразить фотолиз воды можно с помощью уравнения:

2Н2О = 4Н + 4е + О2

Помимо этого, при световой фазе происходит синтез молекул АТФ – химической энергии, которая идет на образование глюкозы. В оболочке тилакоидов содержится ферментативная система, принимающая участие в образовании АТФ. Этот процесс происходит в результате того, что ион водорода переносится через канал специального фермента из внутренней оболочки на внешнюю. После чего высвобождается энергия.

Важно знать! При световой фазе фотосинтеза образуется кислород, а также энергия АТФ, которая используется для синтеза моносахаридов в темновой фазе.

Темновая

Реакции темновой фазы протекают круглосуточно, даже без наличия солнечного света. Фотосинтетические реакции происходят в строме (внутренней среде) хлоропласта. Более детально данный предмет изучал Мелвин Кальвин, в честь которого реакции темновой фазы носят название цикл Кальвина, или С3 — путь.

Этот цикл протекает в 3 этапа:

1. Карбоксилирование.
2. Восстановление.
3. Регенерация акцепторов.

При карбоксилировании вещество под названием рибулозобисфосфат соединяется с частичками углекислого газа. Для этого используется специальный фермент – карбоксилаза. Образуется неустойчивое шестиуглеродное соединение, которое практически сразу же расщепляется на 2 молекулы ФГК (фосфоглицериновой кислоты).

Для восстановления ФГК используется энергия АТФ и НАДФ*Н2, образованных при световой фазе. При последовательных реакциях образуется триуглеродный сахар с фосфатной группой.

Во время регенерации акцепторов часть молекул ФГК используется для восстановления молекул рибулозобисфосфата, который является акцептором СО2. Далее при последовательных реакциях образуется моносахарид – глюкоза. Для всех этих процессов используется энергия АТФ, образованная в световой фазе, а также НАДФ*Н2.

Процессы преобразования 6 молекул углекислоты в 1 молекулу глюкозы требуют расщепления 18 молекул АТФ и 12 молекул НАДФ*Н2. Изобразить эти процессы можно с помощью следующего уравнения:

6СО2 + 24Н = С6Н12О6 + 6Н2О

Впоследствии из образованной глюкозы синтезируются более сложные углеводы – полисахариды: крахмал, целлюлоза.

Обратите внимание! При фотосинтезе темновой фазы образуется глюкоза – органическое вещество, необходимое для питания растения, образования энергии.

Нижеприведенная таблица фотосинтеза, поможет лучше усвоить основную суть этого процесса.

Сравнительная таблица фаз фотосинтеза

Хотя цикл Кальвина является наиболее характерным для темновой фазы фотосинтеза, однако для некоторых тропических растений характерен цикл Хэтча-Слэка (С4-путь), который имеет свои особенности протекания. Во время карбоксилирования в цикле Хэтча-Слэка образуется не фосфоглицериновая кислота, а другие, такие как: щавелевоуксусная, яблочная, аспарагиновая. Также при этих реакциях углекислый газ накапливается в клетках растений, а не выводится при газообмене, как у большинства.

Впоследствии этот газ участвует при фотосинтетических реакциях и образовании глюкозы. Также стоит отметить, что С4-путь фотосинтеза требует больших затрат энергии, чем цикл Кальвина. Основные реакции, продукты образования в цикле Хэтча-Слэка не отличаются от цикла Кальвина.

Благодаря реакциям цикла Хэтча-Слэка у растений практически не происходит фотодыхание, так как устьица эпидермиса находятся в закрытом состоянии. Это позволяет им приспособится к специфическим условиям обитания:

• сильной жаре;
• сухому климату;
• повышенной засоленности мест обитания;
• недостатку СО2.

Сравнение световой и темновой фаз

Значение в природе

Благодаря фотосинтезу происходит образование кислорода – жизненно важного вещества для процессов дыхания и накопления внутри клеток энергии, которая дает возможность живым организмам расти, развиваться, размножаться, принимает непосредственное участие в работе всех физиологических систем организма человека, животных.

Важно! Из кислорода в атмосфере образуется озоновый шар, который защищает все организмы от пагубного влияния опасного ультрафиолетового облучения.

Полезное видео: подготовка к ЕГЭ по Биологии — фотосинтез

Вывод

Благодаря умению синтезировать кислород и энергию растения формируют первое звено во всех пищевых цепях, являясь продуцентами. Потребляя зеленые растения, все гетеротрофы (животные, люди) вместе с пищей получают жизненно важные ресурсы. Благодаря процессу, протекающему в зеленых растениях и цианобактериях, поддерживается постоянный газовый состав атмосферы и жизнь на земле.