Сонячне випромінювання проходить через атмосферу та досягає поверхні Землі. Далі він має кілька шляхів: поверхня поглинає його й нагрівається, воно відбивається чи взаємодіє з рослинами. Що це за схема взаємодії сонячного світла та рослин, що називається фотосинтезом, можна дізнатися з цієї статті.
Що таке фотосинтез?
Фотосинтез – це важлива частина життя Землі. Процес, під час якого пігменти в рослинах (найчастіше хлорофіл) поглинають сонячне світло та синтезують вуглеводи.
Рослини – дивовижні створіння, вони навчилися поглинати це випромінювання та перетворювати його на необхідні для життя органічні речовини. У процесі фотосинтезу відбувається відновлення вуглекислого газу до глюкози.
«Побічним» продуктом фотосинтезу є кисень, який необхідний для життя. Це довів британський хімік Джозеф Прістлі, який наприкінці XVIII століття провів всесвітньо відомий дослід із мишею, під час якого помістив ссавець під скляний ковпак. Миша починала задихатися, але щойно під ковпаком з’явилася зелена рослина, гризун прийшов у норму.
Для фотосинтезу рослин мають спеціальні молекули – хлорофіли, розташовані в хлоропластах. Сонячний промінь складається з фотонів, які несуть енергію певної частоти. Щоби забрати енергію у фотонів, потрібна речовина, яка здійснюватиме коливання з тією ж частотою – ним і є хлорофіли.
Якщо провести експеримент і висвітлити рослину тільки червоним або синім світлом, то вона поглине всі фотони і здаватиметься, що рослина чорного кольору.
Що ж відбувається з листям восени й чому вони стають червоними чи жовтими? Ці пігменти є в рослині та влітку, але зелений хлорофіл яскравіший, тому інших квітів не видно. Восени молекули хлорофілу розпадаються більш дрібні, що призводить до зміни кольору листя.
На початку XX століття німецький вчений Ріхард Вільштеттер встановив, що тогочасна думка про різноманіття видів хлорофілу є помилковою і його структура у всіх рослинах однакова. За свою роботу дослідник здобув Нобелівську премію з хімії в 1915 році.
Цукри беруть участь у біологічних процесах вивільнення та використання енергії, яку можна передати тканинам рослини. Ці молекули дають змогу їм функціонувати, переміщати речовини та будувати тканини. Цукри – їжа, що дає рослинам можливість рости, набирати масу.
Рослини захоплюють світло, перетворюють його на цукри й складніші вуглеводи, щоб інші організми (комахи, ссавці, риби) могли використовувати цю енергію. Це є основою харчових ланцюжків в океані та на суші. І фотосинтез є основою всіх цих процесів.
Читайте також: Як стати уважнішим: поради для дорослих та дітей
Що таке хлоропласти: будова, функції та пігменти
Хлоропласти є спеціальними внутрішньо клітинними структурами, які є тільки у фотосинтезувальних організмів (водорості та рослини). Хлоропласти відносять до групи органел, які називаються пластидами.
У хлоропласту є зовнішня оболонка, що складається з внутрішньої та зовнішньої мембрани. Оболонка контролює процес перенесення речовин всередину хлоропласту та назовні.
Усередині хлоропласту є простір, який називається строма. Вона заповнена рідиною, у якій містяться важливі ферменти, необхідні для темнової фази фотосинтезу.
Тилакоїд – утворення внутрішньої мембрани дископодібної форми. Усередині цього утворення також є простір із рідиною, яка називається люмен. Тилакоїди утворюють своєрідну стопку, яка називається грана.
На мембранах тилакоїда, де відбувається світлова фаза фотосинтезу, розташований хлорофіл.
Завдяки тому, що хлорофіл є молекулою, яка може захоплювати сонячне світло, мембрани тилакоїда можна уявити як своєрідні сонячні батареї. І щоби зловити багато сонячного світла, площа цих сонячних батарей має бути досить великою. Тому в хлоропластах тилакоїдів дуже багато і вони розміщені стопками.
Також хлоропласт має свою молекулу ДНК. А в стромі є рибосоми.
Основною функцією хлоропласта є фотосинтез. Він виробляє вуглеводи внаслідок захоплення енергії сонячного світла. Хлоропласт може накопичувати частину цієї енергії в собі, тому часто в його стромі можна виявити крохмальні зерна і іноді крапельки жиру.
Пігмент – це будь-яка речовина, яка може поглинати сонячне світло. Хлорофіл – основний пігмент фотосинтезу.
Але в хлоропластах присутні ще каротиноїди – пігменти жовтого та оранжевого кольору. Вони необхідні фотосинтезувальним рослинам для захисту хлорофілів від надлишкового світла. Сонячне світло є випромінюванням, яке заряджає енергією молекули пігментів. І внаслідок надлишкового заряду ці молекули можуть руйнуватися.
Фази фотосинтезу: схема
Перша фаза фотосинтезу – світлова. На цьому етапі хлоропласти запасають енергію сонячного світла у вигляді енергетичних носіїв. Далі ця енергія використовується для синтезу вуглеводів, що є темновою фазою.
У світловій фазі беруть участь кванти світла, звідси й назва. Але це не означає, що темнова фаза проходить у темряві. Просто реакції в цій фазі не залежать від світла. Відбуватися ці два процеси можуть і одночасно, але в різних частинах хлоропласта.
Читайте також: Як перестати прокрастинувати: поради та корисні додатки
Світлова фаза фотосинтезу
Ця фаза фотосинтезу відбувається на мембранах тилакоїдів.
Поглинання молекулою хлорофілу енергії світла
У рослин у хлоропластах є фотосистема 2 та фотосистема 1.
Вони містять у собі пігменти, які можуть вловлювати сонячне світло. Сонячна енергія заряджає певний електрон у будові пігменту, після чого він вибивається з молекули пігменту.
Переміщення електрона
Під час поглинання сонячного світла молекулами хлорофілу, електрон у цих молекулах переходить у збуджений стан і переміщується на вижчий енергетичний рівень.
Створення АТФ
Енергія цього електрона йде на фосфорилювання (утворення) АТФ – універсальної енергетичної молекули.
Фотоліз
Поруч із вищеописаними процесами протікає фотоліз води – розкладання води під впливом сонячного світла. Вода розпадається на кисень і водень, останній складається з протона й електрона.
Відновлення електрона
Електрон з атома водню з’єднується з хлорофілом та замінює той електрон, який був відданий для синтезу АТФ.
Перший продукт світлової фази – АТФ, другий – протон, пов’язаний із переносником НАДФ-2Н, третій – кисень.
Темнова фаза фотосинтезу
Друга й більш вдала назва цієї фази – світлонезалежна. У цей час використовуються продукти світлової фази – АТФ і НАДФ-2Н. Фаза фотосинтезу відбувається у внутрішньому просторі хлоропласту – стромою.
Фіксація вуглекислого газу
У результаті першого етапу вуглекислий газ приєднується до органічних цукрів.
Відновлення
У циклі Кальвіна відбувається окислення переносника НАДФ, вивільнення вільного переносника та водню. Для цих процесів потрібна енергія АТФ.
Енергія АТФ синтезується у світловій фазі фотосинтезу, щоб у темновий період брати участь у синтезі вуглеводів та відновленні вуглекислого газу до глюкози.
Учні зазвичай кажуть, що в темновій фазі продукт лише один – глюкоза. Але іноді до продуктів відносять і вільний переносник НАДФ та молекулу АДФ. У циклі Кальвіна відбувається зворотний процес: з АТФ виходить АДФ, тобто розривається один макроергічний зв’язок і ця енергія йде на синтез глюкози.
Щоби розібратися з темою фотосинтезу, вдатися у всі деталі, зрозуміти зв’язок між термінами, потрібно мати впевнені знання з інших тем біології. На шкільному уроці важко встигнути проаналізувати всю нову інформацію, поставити запитання вчителю.
Щоби добре знати предмет, можна звернутися по допомогу до репетитора з біології. Педагог оцінить поточну підготовку, складе план навчання, з огляду на цілі учня, допоможе підготуватися до підсумкового контролю або випускного іспиту. Знайти репетитора з біології чи іншої навчальної дисципліни можна на сайті BUKI.
