• Что такое фотосинтез
• Где происходит фотосинтез
• Формула фотосинтеза
• Кто открыл фотосинтез
• Как происходит фотосинтез
• Значение фотосинтеза
• Часто задаваемые вопросы о фотосинтезе
• Главное о фотосинтезе

Фотосинтез — это биологический процесс, при котором растения, водоросли и некоторые бактерии с помощью света превращают углекислый газ и воду в органические вещества, запасая энергию. В результате реакций фотосинтеза образуются углеводы, прежде всего глюкоза, а в атмосферу выделяется кислород.

Для процесса необходимы солнечный свет или подходящее искусственное освещение, вода, углекислый газ и фотосинтетические пигменты, главным из которых у зеленых растений является хлорофилл. Благодаря фотосинтезу энергия солнца превращается в химическую энергию, доступную самому организму и другим участникам пищевых цепей. Как и где происходит фотосинтез, история его открытия, какие условия необходимы для его протекания и почему процесс важен для растений, животных и жизни на Земле — в материале РИА Новости.

Если объяснять простыми словами, фотосинтез — это способ питания организмов, при котором неорганические вещества превращаются в органические соединения за счет световой энергии. У растений процесс в основном происходит в листьях, где клетки содержат большое количество хлоропластов.

При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ из воздуха и воду из почвы. Световая энергия запускает цепочку реакций, в результате которых образуются органические вещества, необходимые для роста и жизнедеятельности.

Упрощенно процесс можно представить так:

CO₂ + H₂O + свет → органические вещества + O₂

Главные продукты фотосинтеза — органические соединения и кислород. Образующаяся глюкоза может использоваться непосредственно для получения энергии, превращаться в другие вещества или запасаться в виде крахмала.

"Интенсивность фотосинтеза у растений определяется огромным множеством факторов — как внутренних, так и внешних. Основными являются вода, концентрация CO₂ в воздухе, интенсивность и спектральный состав света, температура окружающей среды и минеральное питание. У каждого из этих факторов есть свой предел "полезности", после исчерпания которого действительно может произойти угнетение фотосинтеза.

Избыток воды, скажем, не приведет к росту интенсивности фотосинтеза. Из-за избыточного полива поступает меньше кислорода к корням, так как диффузия кислорода в воде примерно в 10 000 раз медленнее, чем на воздухе. Кислород необходим растениям для энергетического обмена, синтеза АТФ. А недостаток энергии в тканях приводит к нарушениям водно-минерального обмена, что также негативно влияет на эффективность фотосинтеза", — отмечает преподаватель биологии в онлайн-школе "Фоксфорд" Валерия Луканцева.

Фотосинтез имеет большое значение не только для самих растений. Он обеспечивает образование значительной части органического вещества в биосфере и участвует в поддержании состава атмосферы.

Фотосинтез у растений происходит преимущественно в клетках листьев. Главную роль здесь играют хлоропласты — органоиды растительной клетки, содержащие хлорофилл и другие компоненты фотосинтетического аппарата.

Внутри хлоропласта находятся мембранные структуры, называемые тилакоидами. Они собраны в стопки — граны. Между мембранными структурами находится строма, внутренняя среда хлоропласта. Такое строение позволяет разделить разные этапы процесса. Светозависимые реакции проходят на мембранах тилакоидов, а реакции цикла Кальвина протекают в строме.

Углекислый газ поступает в лист главным образом через устьица — небольшие отверстия на поверхности листа. Вода доставляется к клеткам по проводящей системе растения.

Фотосинтез не ограничивается наземными зелеными растениями. Он происходит также у водорослей и цианобактерий, поэтому значительная часть процесса протекает в водных экосистемах.

Общую реакцию фотосинтеза обычно записывают в упрощенном виде:

6CO₂ + 6H₂O + световая энергия → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

• CO₂ — углекислый газ, который поступает из атмосферы или окружающей среды;
• H₂O — вода, необходимая для протекания реакций;
• световая энергия — энергия, которую поглощают фотосинтетические пигменты;
• C₆H₁₂O₆ — глюкоза, один из основных продуктов фотосинтеза;
• O₂ — кислород, выделяемый в окружающую среду.

Эта формула показывает общий результат процесса, но не описывает все промежуточные реакции. В действительности образование глюкозы происходит через несколько стадий и соединений. Главная особенность реакции заключается в преобразовании энергии: световая энергия превращается в химическую и запасается в органических соединениях.

Фотосинтез не был открыт одним ученым в ходе единственного эксперимента. Представление о процессе формировалось постепенно благодаря исследованиям разных ученых.

В XVIII веке английский химик Джозеф Пристли проводил опыты с растениями и обнаружил, что они способны восстанавливать свойства воздуха, испорченного горением. Позднее Ян Ингенхауз уточнил роль света: он показал, что выделение "обновляющего" воздух газа связано именно с зелеными частями растений и происходит на свету.

Затем ученые установили значение углекислого газа, изучили хлорофилл и особенности клеточного строения растений. В XX веке Мелвин Кальвин и его коллеги исследовали путь углерода в реакциях фотосинтеза. Результатом этих работ стало описание цикла Кальвина.

Сначала хлорофилл поглощает свет, после чего энергия используется для запуска светозависимых реакций. Затем полученные энергетические соединения обеспечивают фиксацию углекислого газа и синтез углеводов.

Условно процесс фотосинтеза делят на две основные части:

1. Световая фаза — преобразование энергии света и образование АТФ и НАДФН.
2. Темновая фаза — фиксация углекислого газа и синтез углеводов в цикле Кальвина.

Такое деление удобно для изучения, хотя обе части тесно связаны между собой.

Световая фаза проходит на мембранах тилакоидов хлоропластов. Ее начало связано с поглощением света хлорофиллом и другими пигментами.

Упрощенная последовательность выглядит так:

свет → фотосистемы → фотолиз воды → перенос электронов → АТФ и НАДФН → кислород

Сначала свет возбуждает электроны в фотосистемах. Затем запускается цепь переноса электронов, благодаря которой создается энергия для синтеза АТФ. Параллельно образуется НАДФН — соединение, которое затем используется в реакциях цикла Кальвина.

"Электроны, испускаемые хлорофиллом, переносятся на электрон-транспортную цепь (ЭТЦ), и их энергия будет использована для синтеза энергетической молекулы АТФ. Протоны же остаются внутри хлоропласта и создают положительный заряд на внутренней стороне его мембраны, а электроны выходят во внутреннее пространство хлоропласта — таким образом формируется отрицательный заряд на внешней мембране тилакоида.

Это явление приводит к возникновению электрохимического потенциала, благодаря чему протоны на высокой скорости выходят наружу, как бы "раскручивая" мембранный фермент АТФ-синтазу. Энергия движения протонов используется АТФ-синтазой для присоединения фосфатов к энергетической молекуле. Это и есть синтез молекул АТФ. Этот процесс называется фотофосфорилированием, а синтезированный АТФ — ключевой важнейший продукт световой фазы.

Раз хлорофилл потерял свои электроны после возбуждения, то в его молекуле образуются "незаполненные места". Эти "пустоты" будут заполнятся электронами, полученными при фотолизе воды, с помощью передвижения по ЭЦТ от одной фотосистемы к другой. Кроме того, за счет электронов и вышедших протонов, на внешней стороне мембраны тилакоида восстанавливается кофермент НАДФ", — объясняет Валерия Луканцева.

Таким образом, световая фаза выполняет главную энергетическую задачу: преобразует энергию света в химическую форму, которую клетка может использовать дальше.

Темновая фаза связана прежде всего с циклом Кальвина. Она проходит в строме хлоропласта и непосредственно не требует поглощения фотонов на каждом этапе.

"Темновая фаза не идет только ночью и не требует полного отсутствия света. Ее правильнее называть скорее светонезависимой, хотя это не значит, что темновая фаза может наступить сама по себе или фотосинтез может протекать в отсутствие света", — считает Валерия Луканцева.

В цикле Кальвина можно выделить три основных этапа.

1. Фиксация CO₂ — углекислый газ присоединяется к органическому соединению. Важную роль здесь играет фермент Рубиско.

2. Восстановление — используются АТФ и НАДФН, полученные в световой фазе, и формируются углеводные соединения.

3. Регенерация — восстанавливается соединение, необходимое для продолжения цикла.

В результате растение получает вещества, из которых затем формируются глюкоза и другие органические соединения.

Значение фотосинтеза для природы трудно переоценить. Это один из основных процессов, благодаря которым энергия солнца поступает в живые системы в форме химической энергии.

1. Фотосинтез обеспечивает образование органических веществ. Растения создают соединения, необходимые для роста, развития и формирования биомассы.
2. Фотосинтез является основой многих пищевых цепей. Растительноядные животные получают органические вещества непосредственно из растений, а хищники — косвенно, через другие организмы.
3. Процесс связан с выделением кислорода. Совокупная работа фотосинтезирующих организмов поддерживает содержание кислорода в атмосфере и водных экосистемах.
4. Фотосинтез участвует в круговороте углерода. Растения и другие фотосинтезирующие организмы поглощают углекислый газ и включают углерод в состав органических соединений.
5. Фотосинтез имеет значение для человека. Он связан с производством продовольствия, формированием растительного сырья и поддержанием экосистем, от которых зависит жизнь общества.

"Строго говоря, именно растения производят все органические вещества, передаваемые далее по пищевым цепям, — говорит Валерия Луканцева. — Более того, фотосинтез является важнейшим компонентом глобального цикла углерода и кислорода: именно растения поглощают CO₂ и при фотосинтезе выделяют O₂. То есть устойчивость атмосферного состава воздуха зависит от баланса выделения углекислого газа при дыхании и поглощения его растениями в ходе фотосинтеза. Интересно, что большую часть выделяемого кислорода производит морской фитопланктон, а не наземные растения".

Фотосинтез часто вызывает вопросы из-за условного деления на световую и темновую фазы. Краткие ответы на наиболее распространенные из них.

Полноценный процесс зависит от света, поскольку именно светозависимые реакции обеспечивают образование АТФ и НАДФН. Реакции цикла Кальвина непосредственно не требуют фотонов, однако используют продукты световой фазы. В темноте фотосинтетическая активность растения существенно меняется и не может просто продолжаться в том же режиме, что при освещении.

Да. Растения способны использовать искусственный свет, если его интенсивность и спектральный состав подходят для фотосинтеза. Результат зависит не только от освещенности. Значение имеют температура, доступность воды, концентрация углекислого газа и общее состояние растения. Поэтому искусственное освещение применяется в теплицах и системах выращивания растений в контролируемых условиях.

Зеленый цвет листьев связан прежде всего с хлорофиллом. Этот пигмент активно поглощает определенные участки видимого света, а зеленая часть спектра отражается сильнее, поэтому листья воспринимаются как зеленые. Осенью у многих растений количество хлорофилла уменьшается. На этом фоне становятся заметны другие пигменты, в частности каротиноиды, которые придают листьям желтые и оранжевые оттенки.

Фотосинтез характерен не только для зеленых растений. К фотосинтезирующим организмам относятся растения, многие водоросли и цианобактерии. У разных групп могут различаться пигменты и особенности процесса. Однако общий принцип остается сходным: организм использует световую энергию для создания органических веществ из неорганических соединений.

Фотосинтез — фундаментальный биологический процесс, связывающий солнечную энергию, круговорот углерода и образование органических веществ.

Главное, что нужно запомнить:

• фотосинтез превращает световую энергию в химическую;
• растения используют воду и углекислый газ для образования органических веществ;
• у растений процесс преимущественно происходит в хлоропластах клеток листа;
• световая фаза проходит на мембранах тилакоидов и обеспечивает образование АТФ и НАДФН;
• в цикле Кальвина происходит фиксация CO₂ и последующий синтез углеводных соединений;
• одним из важнейших результатов процесса является выделение кислорода;
• фотосинтез обеспечивает образование биомассы и является основой многих пищевых цепей;
• процесс играет важную роль в круговороте углерода и функционировании экосистем.

Таким образом, фотосинтез можно рассматривать как один из ключевых механизмов поддержания жизни на Земле: он соединяет энергию солнца с химическими процессами в живых организмах и обеспечивает образование органического вещества, необходимого для существования множества форм жизни.