Фотосинтез – процес пластичного та енергетичного обмінів

Фотосинтез, загальна характеристика. Всі органічні речовини, що зустрічаються в живій природі, – продукти життєдіяльності автотрофніорганізмів, синтезованих ними з неорганічних речовин. Такий процес називається фотосинтезом. Основна роль у ньому належить фотосинтезуючим організмам, головним чином зеленим рослинам, які використовують для фотосинтезу енергію сонячного світла, яка поглинається зеленим пігментом – хлорофілом.
Крім зелених рослин, до фотосинтезу здатні деякі прокаріоти: ціанобактерії (синьо-зелених), пурпурні і зелені бактерії.
У ході фотосинтезу створюються органічні речовини, необхідні для життя і самих фотосінтетіков, і гетеротрофних організмів.
Світлова енергія в процесі фотосинтезу перетворюється в доступну для всіх організмів енергію хімічних зв’язків органічних речовин, що запасається в продуктах фотосинтезу (прості вуглеводи, крохмаль та інші полісахариди). У процесі фотосинтезу зелені рослини і ціанобактерії виділяють кисень, який використовується при диханні організмів (зелені та пурпурові бактерії кисень не виділяють).
У фотосинтезі беруть участь пігменти (зелені – хлорофіл, жовті – каротиноїди), ферменти та інші сполуки, впорядковано розташовані на виростах внутрішньої мембрани – тилакоїдів або в стрьомі хлоропласта. Тилакоїди являють собою сплощені замкнуті мембранні мішечки, які як би накладаються один на одного і утворюють структури – грани, що нагадують стопки монет (рис. 14).

Фази фотосинтезу. У рослин в процесі фотосинтезу виділяють дві послідовні фази – світлову та темновую.
Світлова фаза фотосинтезу відбувається на світлі і тільки на внутрішніх мембранах хлоропласта – в Тилакоїди, в які вбудовані молекули хлорофілу. У реакціях світлової фази беруть участь хлорофіл, вода, ферменти і молекули-переносники, вбудовані в мембрани.
Молекули хлорофілу поглинають світло, електрони їх атомів приходять у збуджений стан і перескакують на орбіталі, віддалені від ядра. Внаслідок цього зв’язок електронів з ядром слабшає. Потім електрони підхоплюються молекулами-переносниками і виносяться на зовнішню сторону мембрани тилакоида (див. Рис. 14).
В цей же час під впливом світла відбувається фотоліз води, що міститься в рідкому речовині хлоропластів. Молекули води розкладаються на протони водню (H +) і іони гідроксиду (OH-). Останні віддають свої електрони, які, в свою чергу, заповнюють втрачені молекулами хлорофілу електрони. Гідроксильні групи (OH), з’єднуючись між собою, утворюють молекули води і молекулярний кисень (O2), який виступає як побічний продукт фотосинтезу.
Протони водню накопичуються на внутрішній стороні мембрани тилакоида. Поступово по обидва боки мембрани між різнойменно зарядженими електронами і протонами водню виникає різниця потенціалів (див. Рис. 14). При досягненні критичного рівня різниці потенціалів протони водню починають просуватися по каналу білка АТФ-синтетази, вбудованого в мембрану тилакоида. Проходження протонів водню через канал АТФ-синтетази супроводжується звільненням енергії, яка запасається у вигляді синтезується АТФ. На зовнішній стороні мембрани тилакоида протон водню приєднує електрон, перетворюючись на атомарний водень (H).
В результаті світлової фази синтезуються молекули АТФ, утворюється атомарний водень, виділяється молекулярний кисень. Ефективність світлової фази фотосинтезу велика: в результаті фотохімічних і фотофізичних реакцій запасається близько 96% енергії поглиненого світла.
Для здійснення темновой фази світло не є обов’язковою умовою, вона протікає без участі світла. Процеси темновой фази відбуваються в стромі хлоропластів, куди від тилакоидов гран надходять молекули-переносники, АТФ, а з повітря – вуглекислий газ.
У стромі є особлива речовина – рібулозобіфосфат (РіБФ), приєднує до себе вуглекислий газ з утворенням шестіуглеродних проміжного речовини. Воно, у свою чергу, розпадається на дві молекули фосфогліцеринової кислоти (ФГК), яка є продуктом фотосинтезу, що використовують енергію утворюються в світловий фазі АТФ і атомарний водень. Через ланцюг хімічних реакцій ФГК перетворюється частково знову в РіБФ, частково – в глюкозу (див. Рис. 14).
Сумарне рівняння фотосинтезу виглядає наступним чином:
6CO2 + 6H2O ? C6H12O6 + O2
Значення фотосинтезу. Значення фотосинтезу настільки велика, що можна сказати: від нього залежить життя на нашій планеті.
Космічна роль фотосинтезу пояснюється тим, що це процес на Землі, що йде в глобальному масштабі і пов’язаний з перетворенням енергії сонячного випромінювання в енергію хімічних зв’язків складних органічних речовин. Ця космічна енергія, запасна зеленими рослинами, і становить основу життєдіяльності всіх організмів – від бактерій до людини.
Важливо, що в процесі фотосинтезу утворюється молекулярний кисень, який виділяється в атмосферу. В даний час в результаті спалювання палива на нашій планеті щорічно витрачається величезна кількість кисню. І тільки завдяки фотосинтезу підтримується його необхідний вміст в атмосферному повітрі.
Крім того, внаслідок фотосинтезу, що протікає сотні мільйонів років, на Землі накопичилися запаси кам’яного вугілля.
Фотосинтез перешкоджає збільшенню концентрації вуглекислого газу в атмосфері, запобігаючи перегрів атмосфери Землі внаслідок так званого парникового ефекту.
Вивчення фотосинтезу має істотне значення для розвитку сільського господарства, оскільки врожайність рослин безпосередньо залежить від інтенсивності процесу фотосинтезу.
Один із перспективних напрямів вивчення механізму фотосинтезу – одержання джерела енергії, альтернативного нафти і газу. В даний час вчені намагаються моделювати процеси фотолиза (розщеплення) води. Якби це вдалося зробити, то водень, що утворюється в результаті розщеплення води, можна було спалювати як паливо, а продуктом згоряння в цьому випадку була б вода. Таке джерело енергії екологічно чистий і безпечний для навколишнього середовища.
Хемосинтез. У природі органічні речовини синтезуються не тільки зеленими рослинами і фотосинтезуючими бактеріями, але і бактеріями, що не містять хлорофілу. Такий процес синтезу органічних речовин називають хемосинтезом. Відкрив його відомий російський мікробіолог С. Н. Виноградський в 1887 р
Хемосинтез являє собою автотрофний процес, що відбувається завдяки енергії, яка виділяється при хімічних реакціях окислення різних неорганічних сполук: водню, сірководню, сірки, оксиду заліза (II), аміаку та ін.
Хемосінтезірующімі організмами також є бактерії, які використовують як джерело вуглецю вуглекислий газ і енергію хімічних реакцій (а не світлову, як це відбувається при фотосинтезі). Енергія, що виділяється при окисленні неорганічних речовин, запасається в клітинах у формі АТФ.
У водоймах, в яких вода містить сірководень, живуть безбарвні серобактерии. Енергію, необхідну для синтезу органічних речовин з вуглекислого газу, вони отримують на основі йдуть з їх участю реакцій окиснення сірководню:
H2S + O2 ? 2H2O + 2S + енергія
Виділяється сірка накопичується в клітинах бактерій у вигляді крупинок вільної сірки. При нестачі сірководню безбарвні серобактерии виробляють подальше окислення знаходиться в них вільної сірки до сірчаної кислоти. Новоутворена при окисленні енергія також використовується для синтезу органічних речовин з вуглекислого газу. Величезна кількість серобактерий живе у водах Чорного моря на глибині більше 200 м.
Важливу роль в природі відіграють нитрифицирующие бактерії, що живуть у грунті і деяких водоймах і видобувні енергію окисленням аміаку і азотної кислоти. Аміак у водоймах і грунті утворюється при гнитті білків, там він окислюється бактеріями. Цей процес відбувається в грунті в колосальних масштабах, служить джерелом нітратів і являє собою найважливіший фактор родючості грунту.
Надзвичайно широко поширені в природі бактерії, що живуть як у прісних водоймах, так і в морях, і окислюють з’єднання заліза і марганцю. Завдяки їх життєдіяльності на дні боліт і морів відкладається величезна кількість залізних і марганцевих руд.

Посилання на основну публікацію