Солнечное излучение проходит через атмосферу и достигает поверхности Земли. Далее у него есть несколько путей: поверхность поглощает его и нагревается, оно отражается или взаимодействует с растениями. Что это за схема взаимодействия солнечного света и растений, именуемая фотосинтезом, можно узнать из этой статьи.
Что такое фотосинтез?
Фотосинтез – это важная часть жизни на Земле. Процесс, в ходе которого пигменты в растениях (чаще всего хлорофилл) поглощают солнечный свет и синтезируют углеводы.
Растения – удивительные создания, они научились поглощать это излучение и превращать его в необходимые для жизни органические вещества. В процессе фотосинтеза происходит восстановление углекислого газа до глюкозы.
«Побочным» продуктом фотосинтеза является кислород, который необходим для жизни. Это доказал британский химик Джозеф Пристли, который в конце ХVIII века провел всемирно известный опыт с мышью, в ходе которого поместил млекопитающее под стеклянный колпак. Мышь начинала задыхаться, но как только под колпаком появилось зеленое растение, грызун пришел в норму.
Для фотосинтеза у растений есть специальные молекулы – хлорофиллы, расположенные в хлоропластах. Солнечный луч состоит из фотонов, которые несут энергию определенной частоты. Чтобы забрать энергию у фотонов, нужно вещество, которое будет совершать колебания с той же частотой – им и являются хлорофиллы.
Слово хлорофилл при переводе с греческого языка означает зеленый лист, потому что при работе он поглощает только красные и голубые фотоны солнечного света. А зеленые фотоны отражаются, поэтому растения имеют зеленый цвет.
Если провести эксперимент и осветить растение только красным или синим светом, то оно поглотит все фотоны и будет казаться, что растение черного цвета.
Что же происходит с листьями осенью и почему они становятся красными или желтыми? Эти пигменты есть в растении и летом, но зеленый хлорофилл ярче, поэтому других цветов не видно. Осенью молекулы хлорофилла распадаются на более мелкие, что приводит к изменению цвета листьев.
В начале ХХ века немецкий ученый Рихард Вильштеттер установил, что бытующее в то время мнение о многообразии видов хлорофилла ошибочно и его структура во всех растениях одинакова. За свою работу исследователь получил Нобелевскую премию по химии в 1915 году.
Хлорофилл в очень сложном химическом процессе позволяет использовать солнечный свет, чтобы расщепить диоксид углерода и воду, после чего превратить их в более сложные молекулы, в частности сахара.
Сахара участвуют в биологических процессах высвобождения и использования энергии, которую можно передать тканям растения. Эти молекулы позволяют им функционировать, перемещать вещества и строить ткани. Сахара – пища, дающая растениям возможность расти и набирать массу.
Растения захватывают свет, превращают его в сахара и более сложные углеводы, чтобы другие организмы (насекомые, млекопитающие, рыбы) могли использовать эту энергию. Это является основой пищевых цепочек в океане и на суше. И фотосинтез лежит в основе всех этих процессов.
Читайте также: Как стать более внимательным: советы для взрослых и детей
Что такое хлоропласты: строение, функции и пигменты
Хлоропласты являются специальными внутриклеточными структурами, которые есть только у фотосинтезирующих организмов (водоросли и растения). Хлоропласты относят к группе органелл, которые называются пластиды.
У хлоропласта есть внешняя оболочка, состоящая из внутренней и внешней мембраны. Оболочка контролирует процесс переноса веществ внутрь хлоропласта и наружу.
Внутри хлоропласта есть пространство, которое называется строма. Она заполнена жидкостью, в которой находятся важные ферменты, необходимые для темновой фазы фотосинтеза.
Тилакоид – образование внутренней мембраны дискообразной формы. Внутри этого образования также есть пространство с жидкостью, именуемой люмен. Тилакоиды образуют своеобразную стопку, которая называется грана.
На мембранах тилакоида, где и происходит световая фаза фотосинтеза, расположен хлорофилл.
За счет того, что именно хлорофилл является той молекулой, способной захватывать солнечный свет, мембраны тилакоида можно представить как своеобразные солнечные батареи. И чтобы поймать много солнечного света, площадь этих солнечных батарей должна быть достаточно большой. Поэтому в хлоропластах тилакоидов очень много и они размещены стопками.
Также у хлоропласта есть своя молекула ДНК. А в строме присутствуют рибосомы.
Основной функцией хлоропласта является фотосинтез. Он производит углеводы в результате захвата энергии солнечного света. Хлоропласт может накапливать часть этой энергии внутри себя, поэтому часто в его строме можно обнаружить крахмальные зерна и, иногда, капельки жира.
Пигмент – это любое вещество, которое может поглощать солнечный свет. Хлорофилл – основной пигмент фотосинтеза.
Но в хлоропластах присутствуют еще каротиноиды – пигменты желтого и оранжевого цвета. Они необходимы фотосинтезирующим растениям для защиты хлорофиллов от избыточного света. Солнечный свет является излучением, которое заряжает энергией молекулы пигментов. И в результате избыточного заряда эти молекулы могут разрушаться.
Фазы фотосинтеза: схема
Первая фаза фотосинтеза – световая. На этом этапе хлоропласты запасают энергию солнечного света в виде энергетических носителей. Далее эта энергия используется для синтеза углеводов, что уже является темновой фазой.
В световой фазе участвуют кванты света, отсюда и название. Но это не означает, что темновая фаза проходит в темноте. Просто реакции в этой фазе не зависят от света. Происходят два этих процесса могут и одновременно, но в разных частях хлоропласта.
Читайте также: Как конспектировать эффективно
Световая фаза фотосинтеза
Эта фаза фотосинтеза происходит на мембранах тилакоидов.
Поглощение молекулой хлорофилла энергии света
У растений в хлоропластах есть фотосистема 2 и фотосистема 1.
Они содержат в себе пигменты, которые могут улавливать солнечный свет. Солнечная энергия заряжает определенный электрон в строении пигмента, после чего он выбивается из молекулы пигмента.
Перемещение электрона
При поглощении солнечного света молекулами хлорофилла, электрон в этих молекулах переходит в возбужденное состояние и перемещается на более высокий энергетический уровень.
Образование АТФ
Энергия этого электрона идет на фосфорилирование АТФ – универсальной энергетической молекулы.
Фотолиз
Одновременно с вышеописанными процессами протекает фотолиз воды – разложение воды под действием солнечного света. Вода распадается на кислород и водород, последний состоит из протона и электрона.
Восстановление электрона
Электрон из атома водорода соединяется с хлорофиллом и заменяет тот электрон, который был отдан для синтеза АТФ.
Первый продукт световой фазы – АТФ, второй – протон, связанный с переносчиком НАДФ-2Н, третий – кислород.
Темновая фаза фотосинтеза
Второе и более удачное название этой фазы – светонезависимая. В этот период используются продукты световой фазы – АТФ и НАДФ-2Н. Фаза фотосинтеза происходит во внутреннем пространстве хлоропласта – строме.
Фиксация углекислого газа
В процессах задействован углекислый газ, который берется из атмосферы. Если использовать научный термин, то происходит фиксация углекислого газа. Углекислый газ необходим для синтеза глюкозы.
В результате первого этапа углекислый газ присоединяется к органическим сахарам.
Восстановление
В цикле Кальвина происходит окисление переносчика НАДФ, высвобождение свободного переносчика и водорода. Для этих процессов необходима энергия АТФ.
Энергия АТФ синтезируется в световой фазе фотосинтеза, чтобы в темновой период участвовать в синтезе углеводов и восстановлении углекислого газа до глюкозы.
Ученики обычно говорят, что в темновой фазе продукт только один – глюкоза. Но иногда к продуктам относят и свободный переносчик НАДФ, и молекулу АДФ. В Цикле Кальвина происходит обратный процесс: из АТФ получается АДФ, то есть разрывается одна макроэргическая связь и эта энергия идет на синтез глюкозы.
Чтобы разобраться с темой фотосинтеза, вникнуть во все детали, понять связь между терминами, нужно владеть уверенными знаниями по другим темам биологии. На школьном уроке тяжело успеть проанализировать всю новую информацию, задать интересующие вопросы учителю.
Чтобы хорошо знать предмет, можно обратиться за помощью к репетитору по биологии. Педагог оценит текущую подготовку, составит план обучения, исходя из целей ученика, поможет подготовиться к итоговой контрольной или выпускному экзамену. Найти репетитора по биологии или другой учебной дисциплины можно на сайте BUKI.
