Объясните почему в процессе фотосинтеза используются углекислый газ и вода: Почему в процессе фотосинтеза используются углекислый газ и вода, и , что служит источником побочного…

Роль Углекислого газа (СО2) в жизни Растений

 Проблема, которая рассматривается в этой статье, порой становится камнем преткновения к хорошим заработкам не только для малых, частныхтеплиц, но даже и для промышленных крупных. Зачастую далеко не всякий человек, даже тот, кто построил хорошую теплицу, отвечающую всем современным требованиям и хорошо сохраняющую тепло, придает этой проблеме должное значение. И когда эта теплица начинает приносить ему доход меньше, чем тот на который он рассчитывал, просчитывая ее постройку, чем его прошлая, практически примитивная – он расстраивается и недоумевает, почему ? А как ? Ведь в новой и герметичность лучше, и больше тепла и света – созданы все условия, чтобы урожайность, а как следствие и доходность была выше, а — нет! А все дело в доступе углекислого газа в теплицу. В старую, он проникал из атмосферы, и все ее щели играли “на руку” урожайности, а в новой такой современной, герметичной, светлой и хорошо освещенной — его не хватает.

Ведь углекислый газ очень важен для фотосинтеза растений. Многие это знают, но порой упускают это обстоятельство. Фотосинтез – это химический процесс, во время которого энергия света используется для того, чтобы преобразовать углекислый газ и воду в сахар у зеленых растений. А как не крути, но цель каждого, кто занимается тепличным хозяйством – это увеличение продуктивности растений за счет прироста массы органического вещества. Вот и получается очевидный ответ на вопросы: а почему? А как ?

Углекислый газ порой называют удобрением для растений. Вот только несколько примеров работы углекислого газа: у цветущих растений наступает более ранее цветение, урожайность плодов увеличивается, у роз реже отмирают бутоны и получаются более крупные цветы. Порой углекислый газ играет в вопросе урожайности даже более весомую роль, чем минеральные удобрения. Потому что 94% своей сухой массы растение синтезирует из воды и углекислого газа, и только оставшиеся 6% из минеральных удобрений. Доказательством важности углекислого газа в жизни растений является и тот факт, что было подмечено, что в зимнее время года более продуктивно растут растения по краям теплицы, чем в центре. Потому что, как бы не была теплица герметична, воздух все таки в нее проникает, а с ним и углекислый газ, но до ее центра он не доходит, так как поглощается растениями.

Искусственное увеличение углекислого газа в теплице – вот решение для подъема урожайности. Углекислый газ желательно добавлять в пространство теплицы еще до рассвета, так как доказано, что фотосинтез наиболее активно протекает у растений именно в утренние часы. Конечно же, перебарщивать с этой добавкой не стоит, так как для разных растений требуемый уровень углекислого газа разный. Но оптимальным содержанием считается значение 1300 ppm (частиц на миллион частиц). Если добиться такого показателя в теплице и его поддерживать, то можно смело надеяться, что урожайность нашей теплицы поползет вверх. Следить за уровнем углекислого газа нужно еще и потому, что он будет перерабатываться не только культурами, что мы выращиваем, но и теряться через вентиляцию и микрощели нашей теплицы.

 

Оборудование СО2

w3.org/TR/xlink»>

определение, фазы, условия и значение — Природа Мира

Содержание

1. Определение фотосинтеза
2. Зачем растениям нужна глюкоза (пища)?
3. Фазы фотосинтеза
4. Световая фаза фотосинтеза
5. Темновая фаза фотосинтеза или цикл Кальвина
6. Схема фаз фотосинтеза
7. Строение листьев растений
8. Внешнее строение листьев
9. Внутреннее строение листьев
10. Условия, необходимые для фотосинтеза
11. Что образуется в результате фотосинтеза?
12. Где происходит фотосинтез?
13. Строение растительной клетки
14. Функции частей растительной клетки
15. Углекислый газ в процессе фотосинтеза
16. Свет в процессе фотосинтеза
17. Вода в процессе фотосинтеза
18. Какое значение имеет вода для растений?
19. Значение фотосинтеза в природе
20. Продуценты
21. Основа пищевой цепи
22. Удаление углекислого газа
23. Круговорот питательных веществ
24. Фотосинтетическая зависимость

Каждое живое существо на планете нуждается в пище или энергии, чтобы выжить. Некоторые организмы питаются другими существами, тогда как другие могут производить свои собственные питательные элементы. Растения сами производят продукты питания, глюкозу, в процессе, который называется фотосинтезом.

Фотосинтез и дыхание взаимосвязаны. Результатом фотосинтеза является глюкоза, которая хранится как химическая энергия в растительных клетках. Эта накопленная химическая энергия получается в результате превращения неорганического углерода (углекислого газа) в органический углерод. Процесс дыхания высвобождает накопленную химическую энергию.

Помимо продуктов, которые они производят, растениям также необходим углерод, водород и кислород, чтобы выжить. Вода, поглощенная из почвы, обеспечивает водород и кислород. Во время фотосинтеза, углерод и вода используются для синтеза пищи. Растения также нуждаются в нитратах, чтобы производить аминокислоты (аминокислота – ингредиент для выработки белка). В дополнение к этому, они нуждаются в магнии для производства хлорофилла.

Заметка: Живые существа, которые зависят от других продуктов питания называются гетеротрофами. Травоядные, такие как коровы, а также растения, питающиеся насекомыми, являются примерами гетеротрофов. Живые существа, производящие собственную пищу, называются автотрофами. Зеленые растения и водоросли – примеры автотрофов.

В этой статье вы узнаете больше о том, как происходит фотосинтез у растений и об необходимы для этого процесса условиях.

Определение фотосинтеза

Фотосинтез – это химический процесс, посредством которого растения, некоторые бактерии и водоросли производят глюкозу и кислород из углекислого газа и воды, используя только свет в качестве источника энергии.

Этот процесс чрезвычайно важен для жизни на Земле, поскольку благодаря ему выделяется кислород, от которого зависит вся жизнь.

Зачем растениям нужна глюкоза (пища)?

Подобно людям и другим живым существам, растения также нуждаются в питании для поддержания жизнедеятельности. Значение глюкозы для растений заключается в следующем:

• Глюкоза, полученная в результате фотосинтеза, используется во время дыхания для высвобождения энергии, необходимой растению для других жизненно важных процессов.
• Растительные клетки также превращают часть глюкозы в крахмал, который используют по мере необходимости. По этой причине мертвые растения используются в качестве биомассы, ведь в них хранится химическая энергия.
• Глюкоза также необходима, чтобы производить другие химические вещества, такие как белки, жиры и растительные сахара, необходимые для обеспечения роста и других важных процессов.

Фазы фотосинтеза

Процесс фотосинтеза разделен на две фазы: световую и темновую.

Световая фаза фотосинтеза

Как следует из названия, световые фазы нуждаются в солнечном свете. В светозависимых реакциях энергия солнечного света поглощается хлорофиллом и преобразуется в запасенную химическую энергию в виде молекулы электронного носителя НАДФН (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) и молекулы энергии АТФ (аденозинтрифосфат). Световые фазы протекают в тилакоидных мембранах в пределах хлоропласта.

Темновая фаза фотосинтеза или цикл Кальвина

В темновой фазе или цикле Кальвина возбужденные электроны из световой фазы обеспечивают энергию для образования углеводов из молекул углекислого газа. Не зависящие от света фазы иногда называют циклом Кальвина из-за цикличности процесса.

Хотя темновые фазы не используют свет в качестве реагента (и, как результат, могут происходить днем или ночью), им необходимо, чтобы продукты светозависимых реакций функционировали. Независимые от света молекулы зависят от молекул энергоносителей – АТФ и НАДФН – для создания новых молекул углеводов. После передачи энергии молекулы энергоносители возвращаются к световым фазам для получения более энергичных электронов. Кроме того, несколько ферментов темновой фазы активируются с помощью света.

Схема фаз фотосинтеза

Заметка: Это означает, что темновые фазы не будут продолжаться, если растения будут лишены света слишком долго, так как они используют продукты световых фаз.

Строение листьев растений

Мы не можем полностью изучить фотосинтез, не зная больше о строении листа. Лист адаптирован для того, чтобы играть жизненно важную роль в процессе фотосинтеза.

Внешнее строение листьев

Площадь

Одной из самых главных особенностей растений является большая площадь поверхности листьев. Большинство зеленых растений имеют широкие, плоские и открытые листья, которые способны захватывать столько солнечной энергии (солнечного света), сколько необходимо для фотосинтеза.

Центральная жилка и черешок

Центральная жилка и черешок соединяются вместе и являются основанием листа. Черешок располагает лист таким образом, чтобы он получал как можно больше света.

Листовая пластинка

Простые листья имеют одну листовую пластину, а сложные – несколько. Листовая пластинка – одна из самых главных составляющих листа, которая непосредственно участвует в процессе фотосинтеза.

Жилы

Сеть жилок в листьях переносит воду от стеблей к листьям. Выделяемая глюкоза также направляется в другие части растения из листьев через жилки. Кроме того, эти части листа поддерживают и удерживают листовую пластину плоской для большего захвата солнечного света. Расположение жилок (жилкование) зависит от вида растения.

Основание листа

Основанием листа выступает самая нижняя его часть, которая сочленена со стеблем. Зачастую, у основания листа располагается парное количество прилистников.

Край листа

В зависимости от вида растения, край листа может иметь различную форму, включая: цельнокрайнюю, зубчатую, пильчатую, выемчатую, городчатую и т.п.

Верхушка листа

Как и край листа, верхушка бывает различной формы, включая: острую, округлую, туповатую, вытянутую, оттянутою и т.д.

Внутреннее строение листьев

Ниже представлена ​​близкая схема внутреннего строения тканей листьев:

Кутикула

Кутикула выступает главным, защитным слоем на поверхности растения. Как правило, она толще на верхней части листа. Кутикула покрыта веществом, похожим на воск, благодаря которому защищает растение от воды.

Эпидермис

Эпидермис – слой клеток, который является покровной тканью листа. Его главная функция – защита внутренних тканей листа от обезвоживания, механических повреждений и инфекций. Он также регулирует процесс газообмена и транспирации.

Мезофилл

Мезофилл – это основная ткань растения. Здесь происходит процесс фотосинтеза. У большинства растений мезофилл разделен на два слоя: верхний – палисадный и нижний – губчатый.

Защитные клетки

Защитные клетки – специализированные клетки в эпидермисе листьев, которые используются для контроля газообмена. Они выполняют защитную функцию для устьица. Устьичные поры становятся большими, когда вода есть в свободном доступе, в противном случае, защитные клетки становятся вялыми.

Устьице

Фотосинтез зависит от проникновения углекислого газа (CO2) из воздуха через устьица в ткани мезофилла. Кислород (O2), полученный как побочный продукт фотосинтеза, выходит из растения через устьица. Когда устьица открытые, вода теряется в результате испарения и должна быть восполнена через поток транспирации, водой, поглощенной корнями. Растения вынуждены уравновешивать количество поглощенного СО2 из воздуха и потерю воды через устьичные поры.

Условия, необходимые для фотосинтеза

Ниже приведены условия, которые необходимы растениям для осуществления процесса фотосинтеза:

• Углекислый газ. Бесцветный природный газ без запаха, обнаруженный в воздухе и имеет научное обозначение CO2. Он образуется при горении углерода и органических соединений, а также возникает в процессе дыхания.
• Вода. Прозрачное жидкое химическое вещество без запаха и вкуса (в нормальных условиях).
• Свет. Хотя искусственный свет также подходит для растений, естественный солнечный свет, как правило, создает лучшие условия для фотосинтеза, потому что в нем присутствует природное ультрафиолетовое излучение, которое оказывает положительное влияние на растения.
• Хлорофилл. Это зеленый пигмент, найденный в листьях растений.
• Питательные вещества и минералы. Химические вещества и органические соединения, которые корни растений поглощают из почвы.

Что образуется в результате фотосинтеза?

• Глюкоза;
• Кислород.

(Световая энергия показана в скобках, поскольку она не является веществом)

Заметка: Растения получают CO2 из воздуха через их листья, и воду из почвы через корни. Световая энергия исходит от Солнца. Полученный кислород выделяется в воздух из листьев. Получаемую глюкозу можно превратить в другие вещества, такие как крахмал, который используется как запас энергии.

Если факторы, способствующие фотосинтезу, отсутствуют или присутствуют в недостаточном количестве, это может негативно повлиять на растение. Например, меньшее количество света создает благоприятные условия для насекомых, которые едят листья растения, а недостаток воды замедляет.

Где происходит фотосинтез?

Фотосинтез происходит внутри растительных клеток, в мелких пластидах, называемых хлоропластами. Хлоропласты (в основном встречающиеся в слое мезофилла) содержат зеленое вещество, называемое хлорофиллом. Ниже приведены другие части клетки, которые работают с хлоропластом, чтобы осуществить фотосинтез.

Строение растительной клетки

Функции частей растительной клетки

• Клеточная стенка: обеспечивает структурную и механическую поддержку, защищает клетки от патогенов, фиксирует и определяет форму клетки, контролирует скорость и направление роста, а также придает форму растениям.
• Цитоплазма: обеспечивает платформу для большинства химических процессов, контролируемых ферментами.
• Мембрана: действует как барьер, контролируя движение веществ в клетку и из нее.
• Хлоропласты: как было описано выше, они содержат хлорофилл, зеленое вещество, которое поглощает световую энергию в процессе фотосинтеза.
• Вакуоль: полость внутри клеточной цитоплазмы, которая накапливает воду.
• Клеточное ядро: содержит генетическую марку (ДНК), которая контролирует деятельность клетки.

Хлорофилл поглощает световую энергию, необходимую для фотосинтеза. Важно отметить, что поглощаются не все цветовые длины волны света. Растения в основном поглощают красную и синюю волны – они не поглощают свет в зеленом диапазоне.

Углекислый газ в процессе фотосинтеза

Растения получают углекислый газ из воздуха через их листья. Углекислый газ просачивается через маленькое отверстие в нижней части листа – устьицу.

Нижняя часть листа имеет свободно расположенные клетки, чтобы углекислый газ достиг других клеток в листьях. Это также позволяет кислороду, образующемуся при фотосинтезе, легко покидать лист.

Углекислый газ присутствует в воздухе, которым мы дышим, в очень низких концентрациях и служит необходимым фактором темновой фазы фотосинтеза.

Свет в процессе фотосинтеза

Лист обычно имеет большую площадь поверхности, поэтому он может поглощать много света. Его верхняя поверхность защищена от потери воды, болезней и воздействия погоды восковым слоем (кутикулой). Верх листа находится там, где падает свет. Этот слой мезофилла называется палисадным. Он приспособлен для поглощения большого количества света, ведь в нем находится много хлоропластов.

В световых фазах, процесс фотосинтеза увеличивается с большим количеством света. Больше молекул хлорофилла ионизируется, и больше генерируется АТФ и НАДФН, если световые фотоны сосредоточены на зеленом листе. Хотя свет чрезвычайно важен в световых фазах, необходимо отметить, что чрезмерное его количество может повредить хлорофилл, и уменьшить процесс фотосинтеза.

Световые фазы не слишком сильно зависят от температуры, воды или углекислого газа, хотя все они нужны для завершения процесса фотосинтеза.

Вода в процессе фотосинтеза

Растения получают воду, необходимую для фотосинтеза через свои корни. Они имеют корневые волоски, которые разрастаются в почве. Корни характеризуются большой площадью поверхности и тонкими стенками, что позволяет воде легко проходить сквозь них.

На изображении представлены растения и их клетки с достаточным количеством воды (слева) и ее нехваткой (справа).

Заметка: Корневые клетки не содержат хлоропластов, поскольку они, как правило, находятся в темноте и не могут фотосинтезировать.

Если растение не впитывает достаточное количество воды, оно увядает. Без воды, растение будет не способно фотосинтезировать достаточно быстро, и может даже погибнуть.

Какое значение имеет вода для растений?

• Обеспечивает растворенными минералами, которые поддерживают здоровье растений;
• Является средой для транспортировки минеральных ресурсов;
• Поддерживает устойчивость и прямостояние;
• Охлаждает и насыщает влагой;
• Дает возможность проводить различные химические реакции в растительных клетках.

Значение фотосинтеза в природе

Биохимический процесс фотосинтеза использует энергию солнечного света для преобразования воды и углекислого газа в кислород и глюкозу. Глюкоза используется в качестве строительных блоков в растениях для роста тканей. Таким образом, фотосинтез – это способ, благодаря которому формируются корни, стебли, листья, цветы и плоды. Без процесса фотосинтеза растения не смогут расти или размножаться.

Продуценты

Из-за фотосинтетической способности, растения известны как продуценты и служат основой почти каждой пищевой цепи на Земле. (Водоросли являются эквивалентом растений в водных экосистемах). Вся пища, которую мы едим, происходит от организмов, являющихся  фотосинтетиками. Мы питаемся этими растениями напрямую или едим животных, таких как коровы или свиньи, которые потребляют растительную пищу.

Основа пищевой цепи

Внутри водных систем, растения и водоросли также составляют основу пищевой цепи. Водоросли служат пищей для беспозвоночных, которые, в свою очередь, выступают источником питания для более крупных организмов. Без фотосинтеза в водной среде жизнь была бы невозможна.

Удаление углекислого газа

Фотосинтез превращает углекислый газ в кислород. Во время фотосинтеза углекислый газ из атмосферы поступает в растение, а затем выделяется в виде кислорода. В сегодняшнем мире, где уровни двуокиси углерода растут ужасающими темпами, любой процесс, который устраняет углекислый газ из атмосферы, является экологически важным.

Круговорот питательных веществ

Растения и другие фотосинтезирующие организмы играют жизненно важную роль в круговороте питательных веществ. Азот в воздухе фиксируется в растительных тканях и становится доступным для создания белков. Микроэлементы, находящиеся в почве, также могут быть включены в растительную ткань и стать доступными для травоядных животных, дальше по пищевой цепи.

Фотосинтетическая зависимость

Фотосинтез зависит от интенсивности и качества света. На экваторе, где солнечный свет обилен весь год и вода не является ограничивающим фактором, растения имеют высокие темпы роста, и могут стать довольно большими. И наоборот, фотосинтез в более глубоких частях океана встречается реже, поскольку свет не проникает в эти слои, и в результате эта экосистема оказывается более бесплодной.

Гугломаг

Спрашивай! Не стесняйся!

Задать вопрос

Не все нашли? Используйте поиск по сайту

Search for:

Что такое фотосинтез? | Live Science

Когда вы совершаете покупку по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.

Фотосинтез поглощает углекислый газ, вырабатываемый всеми дышащими организмами, и вновь поставляет кислород в атмосферу. (Изображение предоставлено: KPG_Payless | Shutterstock)

Фотосинтез — это процесс, используемый растениями, водорослями и некоторыми бактериями для преобразования солнечного света в энергию. Этот процесс химически превращает углекислый газ (CO2) и воду в пищу (сахара) и кислород. Химическая реакция часто зависит от пигмента, называемого хлорофиллом, который придает растениям их зеленый цвет. Фотосинтез также является причиной того, что наша планета покрыта богатой кислородом атмосферой.

Типы процессов фотосинтеза

Различают два типа фотосинтеза: оксигенный и аноксигенный. Оба они следуют очень схожим принципам, но первый из них наиболее распространен и встречается у растений, водорослей и цианобактерий.

Во время оксигенного фотосинтеза световая энергия переносит электроны из воды (h3O), поглощаемой корнями растений, в CO2 для производства углеводов. При этом переносе СО2 «восстанавливается» или получает электроны, а вода «окисляется» или теряет электроны. Кислород вырабатывается вместе с углеводами.

Этот процесс создает баланс на Земле, при котором углекислый газ, вырабатываемый дышащими организмами, когда они потребляют кислород при дыхании, снова превращается в кислород растениями, водорослями и бактериями.

Аноксигенный фотосинтез, тем временем, использует доноры электронов, которые не являются водой, и процесс не генерирует кислород, согласно «Аноксигенным фотосинтетическим бактериям» LibreTexts (открывается в новой вкладке). Этот процесс обычно происходит в бактериях, таких как зеленые серные бактерии и фототрофные пурпурные бактерии.

Уравнение фотосинтеза

Хотя оба типа фотосинтеза являются сложными, многоэтапными процессами, общий процесс можно четко представить в виде химического уравнения.

Уравнение оксигенного фотосинтеза: 

6CO2 + 12h3O + энергия света → C6h22O6 + 6O2 + 6h3O

Здесь шесть молекул углекислого газа (CO2) объединяются с 12 молекулами воды (h3O) с использованием энергии света. Конечным результатом является образование одной молекулы углевода (C6h22O6 или глюкозы) вместе с шестью молекулами кислорода и воды.

Аналогичным образом, различные аноксигенные реакции фотосинтеза можно представить в виде единой обобщенной формулы:

СО2 + 2h3A + Энергия света → [Ch3O] + 2A + h3O

Буква A в уравнении является переменной, а h3A представляет собой потенциальный донор электронов. Например, «A» может представлять серу в доноре электронов сероводороде (h3S), согласно новостному сайту медицинских и медико-биологических наук News Medical Life Sciences .

Как происходит обмен углекислого газа и кислорода?

Устьица являются привратниками листа, обеспечивая газообмен между листом и окружающим воздухом. (Изображение предоставлено: Waldo Nell / 500px через Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

Растения поглощают CO2 из окружающего воздуха и выделяют воду и кислород через микроскопические поры на своих листьях, называемые устьицами.

Когда устьица открываются, они пропускают CO2; однако, когда они открыты, устьица выделяют кислород и пропускают водяной пар. Устьица закрываются, чтобы предотвратить потерю воды, но это означает, что растение больше не может получать CO2 для фотосинтеза. Этот компромисс между поступлением CO2 и потерей воды представляет собой особую проблему для растений, растущих в жарких и сухих условиях.

Как растения поглощают солнечный свет для фотосинтеза?

Растения содержат специальные пигменты, поглощающие световую энергию, необходимую для фотосинтеза.

Хлорофилл является основным пигментом, используемым для фотосинтеза, и придает растениям зеленый цвет, согласно данным научно-образовательного сайта Nature Education . Хлорофилл поглощает красный и синий свет и отражает зеленый свет. Хлорофилл — это большая молекула, для производства которой требуется много ресурсов; как таковой, он разрушается к концу жизни листа, и большая часть азота пигмента (один из строительных блоков хлорофилла) резорбируется обратно в растение. Когда листья теряют хлорофилл осенью, другие пигменты листьев, такие как начинают проявляться каротиноиды и антоцианы. В то время как каротиноиды в основном поглощают синий свет и отражают желтый, антоцианы поглощают сине-зеленый свет и отражают красный свет, согласно Гарвардскому лесу Гарвардского университета.

Молекулы пигмента связаны с белками, что позволяет им гибко двигаться к свету и друг к другу. Согласно статье Вима Вермааса , профессора Аризонского государственного университета, большая коллекция из 100–5000 молекул пигмента образует «антенну». Эти структуры эффективно улавливают световую энергию солнца в виде фотонов.

Ситуация с бактериями несколько иная. В то время как цианобактерии содержат хлорофилл, другие бактерии, например пурпурные бактерии и зеленые серные бактерии, содержат бактериохлорофилл для поглощения света для аноксигенного фотосинтеза, согласно «Микробиологии для чайников (открывается в новой вкладке)» (For Dummies, 2019).).

Родственный: Что, если бы у людей была фотосинтезирующая кожа?

Где в растении происходит фотосинтез?

Для фотосинтеза растениям нужна энергия солнечного света. (Изображение предоставлено Shutterstock)

Фотосинтез происходит в хлоропластах, типе пластид (органелл с мембраной), которые содержат хлорофилл и в основном находятся в листьях растений.

Хлоропласты похожи на митохондрии, энергетические центры клеток, в том, что они имеют свой собственный геном или набор генов, содержащихся в кольцевой ДНК. Эти гены кодируют белки , необходимые для органеллы и фотосинтеза.

Внутри хлоропластов находятся пластинчатые структуры, называемые тилакоидами, которые отвечают за сбор фотонов света для фотосинтеза, согласно терминологическому веб-сайту Biology Online (открывается в новой вкладке). Тилакоиды уложены друг на друга столбцами, известными как граны. Между гранами находится строма — жидкость, содержащая ферменты, молекулы и ионы, где происходит образование сахара.

В конечном счете, световая энергия должна быть передана пигментно-белковому комплексу, который может преобразовывать ее в химическую энергию в виде электронов. В растениях световая энергия передается пигментам хлорофилла. Преобразование в химическую энергию происходит, когда пигмент хлорофилла выбрасывает электрон, который затем может перейти к соответствующему реципиенту.

Пигменты и белки, которые преобразуют энергию света в химическую энергию и начинают процесс переноса электронов, известны как реакционные центры.

Светозависимые реакции

Когда фотон света попадает в реакционный центр, молекула пигмента, такая как хлорофилл, высвобождает электрон.

Высвобожденный электрон ускользает через серию белковых комплексов, связанных вместе, известных как цепь переноса электронов. Двигаясь по цепи, он вырабатывает энергию для производства АТФ (аденозинтрифосфата, источника химической энергии для клеток) и НАДФН, которые необходимы на следующем этапе фотосинтеза в цикле Кальвина. «Электронная дыра» в исходном пигменте хлорофилла заполняется за счет взятия электрона из воды. Это расщепление молекул воды высвобождает кислород в атмосферу.

Светонезависимые реакции: цикл Кальвина

Фотосинтез включает процесс, называемый циклом Кальвина, в котором используется энергия, накопленная в результате светозависимых реакций, для превращения CO2 в сахара, необходимые для роста растений. (Изображение предоставлено: Нагендра Ядав через Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

Цикл Кальвина — это трехэтапный процесс, в ходе которого вырабатывается сахар для растений, и он назван в честь Мелвина Кальвина (открывается в новой вкладке), лауреата Нобелевской премии. Отмеченный наградами ученый, открывший его несколько десятилетий назад. Цикл Кальвина использует АТФ и НАДФН, образующиеся в хлорофилле, для производства углеводов. Занимает пластинку в строме растений, внутреннее пространство в хлоропластах.

На первом этапе этого цикла, называемом фиксацией углерода, фермент RuBP-карбоксилаза/оксигеназа, также известный как rubiso, помогает включить CO2 в органическую молекулу, называемую 3-фосфоглицериновой кислотой (3-PGA). В процессе он разрывает фосфатную группу на шести молекулах АТФ, чтобы преобразовать их в АДФ, высвобождая при этом энергию, согласно LibreTexts.

На втором этапе 3-PGA восстанавливается, то есть берет электроны от шести молекул NADPH и производит две молекулы глицеральдегид-3-фосфата (G3P).

Одна из этих молекул G3P покидает цикл Кальвина, чтобы выполнять другие функции в растении. Оставшиеся молекулы G3P переходят на третий этап регенерации рубиско. В промежутках между этими этапами растение производит глюкозу или сахар.

Три молекулы CO2 необходимы для производства шести молекул G3P, и, согласно образовательному веб-сайту Khan Academy, требуется шесть оборотов цикла Кальвина, чтобы произвести одну молекулу углевода.

Типы фотосинтеза

Существует три основных типа путей фотосинтеза: С3, С4 и САМ. Все они производят сахара из CO2, используя цикл Кальвина, но каждый путь немного отличается.

Существуют три основных типа путей фотосинтеза: С3, С4 и САМ. Большинство растений используют фотосинтез C3, включая рис и хлопок. (Изображение предоставлено Эндрю Т. Таном через Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

C3-фотосинтез

Большинство растений используют C3-фотосинтез, согласно исследовательскому проекту фотосинтеза «Реализуя повышенную эффективность фотосинтеза» (RIPE) (открывается в новой вкладке). Растения С3 включают злаки (пшеницу и рис), хлопок, картофель и соевые бобы. Этот процесс назван в честь трехуглеродного соединения 3-PGA, которое используется во время цикла Кальвина.

C4-фотосинтез

Такие растения, как кукуруза и сахарный тростник, используют C4-фотосинтез. В этом процессе используется четырехуглеродное промежуточное соединение (называемое оксалоацетатом), которое превращается в малат (открывается в новой вкладке), согласно Biology Online. Затем малат транспортируется в оболочку пучка, где он разрушается и высвобождает CO2, который затем фиксируется рубиско и превращается в сахара в цикле Кальвина (точно так же, как фотосинтез C3). По данным Biology Online, растения C4 лучше приспособлены к жаркой и сухой среде и могут продолжать фиксировать углерод, даже когда их устьица закрыты (поскольку у них есть умное решение для хранения).

Фотосинтез САМ

Метаболизм крассуловой кислоты (САМ) обнаружен у растений, адаптированных к очень жаркой и сухой среде, таких как кактусы и ананасы, по данным Академии Хана. Когда устьица открываются для поглощения CO2, они рискуют потерять воду во внешнюю среду. Из-за этого приспособились растения в очень засушливой и жаркой среде. Одной из адаптаций является CAM, когда растения открывают устьица ночью (когда температура ниже и потеря воды менее опасна). По данным Академии Хана, CO2 попадает в растения через устьица, фиксируется в оксалоацетате и превращается в малат или другую органическую кислоту (как в пути C4). Затем CO2 доступен для светозависимых реакций в дневное время, а устьица закрываются, что снижает риск потери воды.

Дополнительные ресурсы

Узнайте больше о фотосинтезе на научно-образовательном веб-сайте sciencing.com. Узнайте, как структура листа влияет на фотосинтез, с Аризонским университетом. Узнайте о различных способах измерения фотосинтеза на научно-образовательном веб-сайте Science & Plants for Schools.

Эта статья была обновлена ​​управляющим редактором Live Science Тией Гхош 3 ноября 2022 г.

Будьте в курсе последних научных новостей, подписавшись на нашу рассылку Essentials.

Свяжитесь со мной, чтобы сообщить о новостях и предложениях от других брендов Future. Получайте от нас электронные письма от имени наших надежных партнеров или спонсоров.

Дейзи Добриевич присоединилась к Space.com  в феврале 2022 года в качестве справочного автора. Ранее она работала штатным автором в нашем сестринском журнале All About Space . Прежде чем присоединиться к нам, Дейзи прошла редакционную стажировку в журнале BBC Sky at Night Magazine и работала в Национальном космическом центре  в Лестере, Великобритания, где ей нравилось знакомить общественность с космической наукой. В 2021 году Дейзи защитила докторскую диссертацию по физиологии растений, а также имеет степень магистра наук об окружающей среде. В настоящее время она проживает в Ноттингеме, Великобритания.0003

Самое важное уравнение биологии: «углекислый газ + вода → глюкоза + кислород».

Недавно мой коллега доктор Итан Сигел написал статью, объясняющую, почему F = ma — то есть сила = масса x ускорение — является самым важным уравнением в физике. Это, казалось бы, скромное уравнение, известное как второй закон движения Ньютона, полезно физикам всех уровней и даже дает намеки на специальную теорию относительности.

Это заставило меня задуматься: в каждой области науки есть такое уравнение? Уравнение настолько важное, что без него не может существовать сама тема или область? Я задумался над этим как микробиолог и пришел к выводу, что да, есть такое уравнение для биологии: СО ₂ + H ₂ O → C ₆ H ₁₂ O ₆ + O ₂ . (Это несбалансированная версия. Сбалансированная версия: 6CO ₂ + 6H ₂ O → C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂ .) 90 003

Простыми словами: двуокись углерода + вода → глюкоза + кислород. Это фотосинтез, и без него, скорее всего, не было бы ни растений, ни животных.

Почему в мире господствует фотосинтез

По причинам, которые я подробнее опишу позже, каждому живому существу нужны три вещи: источник энергии, источник углерода и источник электронов. Растения (и фотосинтезирующие микробы) получают энергию от солнечного света, а углерод — от CO ₂ , а их электроны из H ₂ O. Однако, как бы ни был важен фотосинтез, обратите внимание, что он , а не необходим для самой жизни. Микроорганизмы нашли способ выжить практически в любой точке Земли. Например, некоторые выживают в глубинах океана (где нет света), получая энергию из сернистых химикатов. Свет хорошо иметь, но он не необходим для развития жизни.

Хотя фотосинтез не особенно энергоэффективен, он является высшей формой самодостаточности. Первые сложные клетки (называемые эукариотами), развившие способность к фотосинтезу, поглотили бактерии, у которых уже была такая способность, образуя взаимовыгодные отношения — меньшая фотосинтезирующая клетка получила хороший дом внутри более крупной клетки, которая получила «ренту» в форму пищи и энергии. Отношения сложились чудесным образом, поскольку эти амальгамации предков в конечном итоге превратились в широкое разнообразие растений, которые мы имеем сегодня. В результате фотосинтезируют все растения (за исключением некоторых паразитических).

Объяснение «двуокись углерода + вода → глюкоза + кислород»

Уравнение, представляющее фотосинтез, обманчиво простое: Дайте растению CO ₂ и воду, и оно создаст пищу (сахар) и кислород. Но за кулисами скрывается умопомрачительно сложная серия биохимических реакций и, возможно, даже немного квантовой механики.

Начнем с воды. Вода является источником электронов, необходимых растениям для запуска процесса. Когда свет (источник энергии) попадает на хлорофилл (внутри сложной структуры, известной как фотосистема, которая сама встроена в мембрану, называемую тилакоидом), молекула отдает электроны, которые продолжают совершать удивительные вещи. Но хлорофилл хочет вернуть свои электроны, поэтому крадет их у молекулы воды, которая затем распадается на два протона (H ⁺ ) и атом кислорода. Это делает атом кислорода одиноким и несчастным, поэтому он объединяется с другим атомом кислорода, образуя O ₂ , молекулярную форму кислорода, которым мы дышим.

Авторы и права: Рао А., Райан К., Таг А., Флетчер С. и Хокинс А. Факультет биологии Техасского университета A&M / OpenStax

Теперь вернемся к удивительным электронам. Подобно игре в «горячую картошку», электроны передаются от белка к белку. Когда они путешествуют, они вызывают протоны (H ⁺ ), которые перекачиваются на другую сторону мембраны, создавая мощный электрохимический градиент, похожий на батарею. Когда эта «батарея» разряжается, она создает богатую энергией молекулу под названием АТФ. Если бы у клеток были деньги, этими деньгами была бы АТФ.

Но это не единственное, что делают эти путешествующие электроны. Когда они заканчивают играть в горячую картошку, они прыгают на борт молекулы НАДФН, которую можно представить как электронный челнок. По сути, НАДФН — это молекула, которая может переносить электроны куда-то еще, обычно с целью создания чего-либо.

Давайте сделаем паузу, чтобы подытожить, чего добилось растение: оно поглощало свет и использовало эту энергию, чтобы отрывать электроны от воды, производя кислород (O ₂ ) в качестве побочного продукта. Затем он использовал эти электроны для создания «денег» (АТФ), после чего электроны сели в автобус (НАДФН). Теперь пришло время потратить эти деньги и снова использовать эти электроны в процессе, называемом циклом Кальвина.

Авторы и права: Авторы и права: Рао А., Райан К., Таг А., Флетчер С. и Хокинс А. Факультет биологии, Техасский университет A&M / OpenStax

Цикл Кальвина — это точка, в которой на сцену выходит углекислый газ (CO ₂ ). Это процесс, который «фиксирует» углекислый газ в твердой форме, объединяя его с пятиуглеродным сахаром, чтобы создать шестиуглеродный сахар. (Фермент, который осуществляет эту реакцию, называемый рубиско, вероятно, является самым распространенным белком на Земле.) Обратите внимание, что клетка должна использовать АТФ и НАДФН, которые она произвела ранее, чтобы поддерживать цикл. Конечным результатом цикла является молекула под названием G3P, которую клетка может использовать для самых разных целей — от производства пищи (например, сахарной глюкозы) до построения структурных молекул, необходимых для роста растения.

Спасибо, фотосинтез!

Каждая часть уравнения фотосинтеза теперь учтена. Растительная клетка использует углекислый газ (CO ₂ ) и воду (H ₂ O) в качестве исходных материалов — первую для превращения углерода в твердую форму, а вторую в качестве источника электронов — и создает глюкозу (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) и кислород (O ₂ ) в качестве выходов.