Фотосинтез - це процес, що застосовується рослинами, водоростями та деякими бактеріями для використання енергії сонячного світла та перетворення її на хімічну енергію. У цій статті описуються загальні принципи фотосинтезу та застосування фотосинтезу для розробки чистих видів палива та джерел відновлюваної енергії.
Існує два типи процесів фотосинтезу: оксигенний фотосинтезі аноксигенний фотосинтез. Загальні принципи аноксигенного та оксигенного фотосинтезу дуже схожі, але найпоширенішим є оксигенний фотосинтез, який спостерігається у рослин, водоростей та ціанобактерій.
Під час оксигенного фотосинтезу світлова енергія сприяє переходу електронів із води (H 2 O) у вуглекислий газ (CO 2 ). В результаті реакції утворюється кисень та вуглеводні.
Оксигенний фотосинтезможна назвати процесом протилежним диханню в якому відбувається поглинання вуглекислого газу, що виробляється всіма дихаючими організмами, та виділення кисню в атмосферу.
З іншого боку, в аноксигенному фотосинтезі як донора електронів використовується не вода. Цей процес зазвичай спостерігається у таких бактерій як фіолетові бактерії та зелені сірчані бактерії, які переважно зустрічаються в різних водних середовищах.
При аноксигенному фотосинтезі кисень не продукується, тому й назва. Результат реакції залежить від донора електронів. Наприклад, багато бактерій використовують як донора сірководень і в результаті такого фотосинтезу утворюється тверда сірка.
Хоча обидва типи фотосинтезу є складними і багатоступінчастими процесами, їх можна приблизно подати у вигляді наведених нижче хімічних рівнянь.
Оксигенний фотосинтеззаписується наступним чином:
6CO 2 + 12H 2 O + Світлова енергія → C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O
Тут шість молекул вуглекислого газу (СО2) поєднуються з 12 молекулами води (Н2О) з використанням світлової енергії. В результаті реакції утворюється одна молекула вуглеводу (C6H12O6 або глюкози) та шість молекул кисню та шість молекул води.
Аналогічно різні реакції аноксигенного фотосинтезуможуть бути представлені у вигляді однієї узагальненої формули:
CO 2 + 2H 2 A + Світлова енергія → + 2A + H 2 O
Літера A у рівнянні є змінною, а H 2 A є потенційним донором електронів. Наприклад, А може бути сіркою в сірковододі (H 2 S).
Фотосинтетичний апарат
Нижче наведені клітинні компоненти, необхідні фотосинтезу.
Пігменти
Пігменти— це молекули, які надають колір рослинам, водоростям та бактеріям, але вони також відповідальні за ефективне вловлювання сонячного світла. Пігменти різних кольорів поглинають різні довжини хвиль світла. Нижче наведено три основні групи.
- Хлорофіли- це пігменти зеленого кольору, здатні вловлювати синє та червоне світло. Хлорофіли мають три підтипи, які називаються хлорофілом a, хлорофілом b і хлорофілом c. Хлорофіла зустрічається на всіх фотосинтезуючих рослинах. Існує також бактеріальний варіант, бактеріохлорофіл, який поглинає інфрачервоне світло. Цей пігмент в основному спостерігається в пурпурових та зелених сірчаних бактеріях, які виконують аноксигенний фотосинтез.
- Каротиноїди- це червоні, помаранчеві або жовті пігменти, які поглинають синьо-зелене світло. Прикладами каротиноїдів є ксантофіл (жовтий) і каротин (помаранчевий), завдяки яким морква набуває свого кольору.
- Фікобіліни- це червоні або сині пігменти, які поглинають довгі світлові хвилі, які не так добре поглинаються хлорофілами та каротиноїдами. Їх можна спостерігати в ціанобактерії та червоних водоростях.
Пластид
Фотосинтетичні еукаріотичні організми містять у цитоплазмі органели, які називаються пластидами. Пластиди з двома мембранами в рослинах і водоростях розглядаються як первинні пластиди, а пластиди з множинними мембранами, знайдені в планктоні, називаються вторинними пластидами, згідно статті в журналі Nature Education авторів Чонг Сінь Чан і Дебашиш Бхаттачарья, дослідники з Університету Рут.
Пластиди зазвичай містять пігменти або можуть зберігати поживні речовини. Безбарвні та непігментовані лейкопласти зберігають жири та крохмаль, у той час як хромопласти містять каротиноїди, а хлоропласти містять хлорофіл.
Фотосинтез відбувається у хлоропластах; зокрема, в областях грани та строми. Грана - це покладені чарками плоскі бульбашки або мембрани, які називаються тілакоїдами. У гранах є всі фотосинтетичні структури. Саме тут відбувається перенесення електронів. Порожні простори між стовпцями грани становлять строму.
Хлоропласти подібні до мітохондрій, енергетичних центрів клітин, оскільки вони мають власний геном або колекцію генів, що містяться в циклічній ДНК. Ці гени кодують білки, необхідні для органели та фотосинтезу. Вважається, що як і мітохондрії, хлоропласти походять з примітивних бактеріальних клітин у процесі ендосимбіозу.
Антени
Молекули пігменту зв'язуються білками, які дозволяють їм рухатися у напрямку світла та один до одного. Згідно з публікацією Віма Вермааса, професора Аризонського державного університету, набір із 100-5000 молекул пігменту є « антени». Ці структури захоплюють світлову енергію від сонця як фотонів.
Зрештою світлова енергія має бути перенесена в пігмент-білковий комплекс, який може перетворювати його на хімічну енергію у вигляді електронів. У рослинах, наприклад, світлова енергія переноситься на хлорофілові пігменти. Перехід на хімічну енергію здійснюється, коли пігмент хлорофілу витісняє електрон, який може перейти до відповідного реципієнту.
Реакційні центри
Пігменти та білки, які перетворюють світлову енергію на хімічну енергію та починають процес перенесення електрона, відомі як реакційні центри.
Процес фотосинтезу
Реакції фотосинтезу рослин діляться на сонячного світла, що вимагають наявності, і не вимагають його. Обидва типи реакцій протікають у хлоропластах: світлозалежні реакції в тилакоїдах і світлонезалежні реакції в стромі.
Світлозалежні реакції (світлові реакції)коли фотон світла потрапляє в реакційний центр і молекула пігменту, така як хлорофіл, вивільняє електрон. При цьому електрон не повинен повернутися у своє початкове положення, а цього непросто уникнути, оскільки тепер хлорофіл має «електронну дірку», яка притягує довколишні електрони.
Звільненому електрону вдається «піти», за рахунок переміщення електронним транспортним ланцюгом, який генерує енергію, необхідну для отримання АТФ (аденозинтрифосфату, джерела хімічної енергії для клітин) та НАДФ. "Електронна дірка" у вихідному пігменті хлорофілу заповнюється електронами з води. Внаслідок цього в атмосферу виділяється кисень.
Темнові реакції(які не залежать від наявності світла та відомі також як цикл Кальвіна). У процесі темнових реакцій виробляються АТФ та НАДФ, які є джерелами енергії. Цикл Кальвіна складають три етапи хімічної реакції: фіксація вуглецю, відновлення та регенерація. У цих реакціях використовується вода та каталізатори. Атоми вуглецю з двоокису вуглецю «фіксуються», коли вони вбудовуються в органічні молекули, які зрештою утворюють тривуглецеві вуглеводи (легкі цукру). Потім ці цукри використовуються для виробництва глюкози або рециркулюють, щоб знову ініціювати цикл Кальвіна.
Фотосинтез у майбутньому. Застосування фотосинтезу
Фотосинтезуючі організми - це потенційний засіб отримання екологічно чистого палива, такого як водень або метан. Нещодавно дослідницька група в університеті Турку у Фінляндії застосувала здатність зелених водоростей виробляти водень. Зелені водорості можуть продукувати водень протягом кількох секунд, якщо вони спочатку знаходяться в умовах відсутності світла та кисню, а потім піддаються впливу світла. Команда розробила спосіб продовжити водневе виробництво водоростей на строк до трьох днів, як повідомляється в публікації 2018 року в журналі Energy & Environmental Science.
Вчені також досягли успіхів у галузі штучного фотосинтезу. Наприклад, група дослідників з Каліфорнійського університету в Берклі розробила штучну систему для уловлювання вуглекислого газу з використанням напівпровідникових нанодротів та бактерій. Поєднання набору біосумісних світлопоглинаючих нанодротів з певною популяцією бактерій за рахунок використання енергії сонячного світла перетворює вуглекислий газ на паливо або полімери. Команда вчених опублікувала свій проект у 2015 році в журналі Nano Letters.
У 2016 році вчені з цієї групи опублікували дослідження в журналі Science, в якому описали ще одну систему штучного фотосинтезу, в якій спеціально створені бактерії застосовувалися для виробництва рідкого палива з використанням сонячного світла, води та двоокису вуглецю. Загалом рослини можуть використовувати лише 1 % сонячної енергії та застосовувати його під час фотосинтезу для отримання органічних сполук. Навпаки, система штучного фотосинтезу змогла використати 10% сонячної енергії для органічних сполук.
Дослідження природних процесів, таких як фотосинтез, допомагає вченим у розробці нових способів використання різних джерел відновлюваної енергії. Сонячне світло повсюдно використовується рослинами та бактерії у фотосинтезі, тому штучний фотосинтез є логічним кроком для створення екологічно чистого палива.
У статті використовувалися матеріали livescience.com
(Переглянути1 663 | Подивилися сьогодні 1)
Кращі кімнатні рослини, що очищають повітря
Фотосинтез- Це процес синтезу органічних речовин з неорганічних за рахунок енергії світла. У переважній більшості випадків фотосинтез здійснюють рослини за допомогою таких клітинних органел як хлоропласти, що містять зелений пігмент хлорофіл.
Якби рослини не були здатні до синтезу органіки, то майже всім іншим організмам на Землі не було чим харчуватися, оскільки тварини, гриби і багато бактерій не можуть синтезувати органічні речовини з неорганічних. Вони лише поглинають готові, розщеплюють їх у простіші, у тому числі знову збирають складні, але характерні для свого тіла.
Така справа, якщо говорити про фотосинтез і його роль зовсім коротко. Щоб зрозуміти фотосинтез, треба сказати більше: які саме неорганічні речовини застосовуються, як відбувається синтез?
Для фотосинтезу потрібні дві неорганічні речовини - вуглекислий газ (CO2) та вода (H2O). Перший поглинається з повітря надземними частинами рослин переважно через устячка. Вода - з ґрунту, звідки доставляється у фотосинтезуючі клітини провідною системою рослин. Також для фотосинтезу потрібна енергія фотонів (hν), але їх не можна зарахувати до речовини.
У результаті фотосинтезу утворюється органічна речовина і кисень (O 2 ). Зазвичай під органічною речовиною найчастіше мають на увазі глюкозу (C 6 H 12 O 6).
Органічні сполуки здебільшого складаються з атомів вуглецю, водню та кисню. Саме вони містяться у вуглекислому газі та воді. Однак при фотосинтезі відбувається виділення кисню. Його атоми беруться із води.
Коротко та узагальнено рівняння реакції фотосинтезу прийнято записувати так:
6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2
Але це рівняння не відбиває суті фотосинтезу, робить його зрозумілим. Подивіться, хоча рівняння збалансоване, у ньому загальна кількість атомів у вільному кисні 12. Але ми сказали, що вони беруться з води, а там лише 6.
Насправді фотосинтез протікає у дві фази. Перша називається світловий, друга - темновий. Такі назви обумовлені тим, що світло потрібне тільки для світлової фази, темнова фаза незалежна від його наявності, але це не означає, що вона йде в темряві. Світлова фаза протікає на мембранах тилакоїдів хлоропласту, темнова - у стромі хлоропласту.
У світлову фазу зв'язування CO2 не відбувається. Відбувається лише уловлювання сонячної енергії хлорофільними комплексами, запасання їх у АТФ , використання енергії відновлення НАДФ до НАДФ*H 2 . Потік енергії від збудженого світлом хлорофілу забезпечується електронами, що передаються електронно-транспортним ланцюгом ферментів, вбудованих в мембрани тилакоїдів.
Водень для НАДФ береться з води, яка під дією сонячного світла розкладається на атоми кисню, протони водню та електрони. Цей процес називається фотолізом. Кисень із води для фотосинтезу не потрібен. Атоми кисню із двох молекул води з'єднуються з утворенням молекулярного кисню. Рівняння реакції світлової фази фотосинтезу коротко виглядає так:
H 2 O + (АДФ + Ф) + НАДФ → АТФ + НАДФ * H 2 + ½ O 2
Таким чином, виділення кисню відбувається у світлову фазу фотосинтезу. Кількість молекул АТФ, синтезованих з АДФ та фосфорної кислоти, що припадають на фотоліз однієї молекули води, може бути різною: одна або дві.
Отже, із світлової фази в темнову надходять АТФ та НАДФ*H 2 . Тут енергія першого та відновна сила другого витрачаються на зв'язування вуглекислого газу. Цей етап фотосинтезу неможливо пояснити просто і коротко, тому що він протікає не так, що шість молекул CO 2 об'єднуються з воднем, що вивільняється з молекул НАДФ * H 2 і утворюється глюкоза:
6CO 2 + 6НАДФ*H 2 →З 6 H 12 O 6 + 6НАДФ
(Реакція йде з витратою енергії АТФ, яка розпадається на АДФ та фосфорну кислоту).
Наведена реакція – лише спрощення полегшення розуміння. Насправді молекули вуглекислого газу зв'язуються по одній, приєднуються до вже готової п'ятивуглецевої органічної речовини. Утворюється нестійка шестивуглецева органічна речовина, яка розпадається на тривуглецеві молекули вуглеводу. Частина цих молекул використовується на ресинтез вихідної п'ятивуглецевої речовини для зв'язування CO2. Такий ресинтез забезпечується циклом Кальвіна. Менша частина молекул вуглеводу, що включає три атоми вуглецю, виходить із циклу. Вже їх та інших речовин синтезуються й інші органічні речовини (вуглеводи, жири, білки).
Тобто насправді із темнової фази фотосинтезу виходять тривуглецеві цукри, а не глюкоза.
Життя людини, як і всього живого на Землі неможливе без дихання. Ми вдихаємо з повітря кисень, а видихаємо вуглекислий газ. Але чому ж кисень не кінчається? Виявляється, повітря в атмосфері безперервно підживлюється киснем. І відбувається це насичення саме завдяки фотосинтезу.
Фотосинтез – просто і зрозуміло!
Кожна людина має розуміти, що таке фотосинтез. Для цього зовсім не потрібно писати складні формули, достатньо зрозуміти всю важливість і чаклунство цього процесу.
Головну роль процесі фотосинтезу грають рослини – трава, дерева, чагарники. Саме в листі рослин протягом мільйонів років відбувається дивовижне перетворення вуглекислого газу на кисень, який так необхідний для життя любителям дихати. Спробуймо розібрати весь процес фотосинтезу по порядку.
1. Рослини беруть із ґрунту воду з розчиненими в ній мінеральними речовинами – азот, фосфор, марганець, калій, різні солі – всього більше 50 різних хімічних елементів. Це потрібно рослинам для харчування. Але із землі рослини отримують лише 1/5 частину необхідних речовин. Інші 4/5 вони отримують з повітря!
2. З повітря рослини поглинають вуглекислий газ. Той самий вуглекислий газ, який ми видихаємо кожну секунду. Вуглекислим газом рослини дихають, як ми з вами дихаємо киснем. Але цього мало.
3. Незамінний компонент у природній лабораторії – сонячне світло. Сонячні промені у листі рослин пробуджують надзвичайну хімічну реакцію. Як це відбувається?
4. У листі рослин є дивовижна речовина – хлорофіл. Хлорофіл здатний вловлювати потоки сонячного світла і невтомно переробляти отримані воду, мікроелементи, вуглекислий газ в органічні речовини, необхідні кожній живій істоті нашої планети. У цей момент рослини виділяють в атмосферу кисень! Саме цю роботу хлорофілу вчені називають складним словом – фотосинтез.
Презентацію на тему Фотосинтез можна завантажити на освітньому порталі
То чому трава зелена?
Тепер, коли ми знаємо, що в клітинах рослин міститься хлорофіл, на це питання відповісти дуже легко. Недарма з давньогрецької мови хлорофіл перекладається як «зелений лист». Для фотосинтезу хлорофіл використовує усі промені сонячного світла, окрім зеленого. Ми бачимо траву, листя рослин зеленими саме тому, що хлорофіл виходить зеленим.
Значення фотосинтезу.
Значення фотосинтезу неможливо переоцінити - без фотосинтезу в атмосфері нашої планети накопичилося занадто багато вуглекислого газу, більшість живих організмів просто не змогли б дихати і загинули. Наша Земля перетворилася б на неживу планету. Для того, щоб цього не допустити кожній людині планети, Земля потрібно пам'ятати, що ми дуже зобов'язані рослинам.
Саме тому так важливо у містах робити якнайбільше парків та зелених насаджень. Берегти від знищення тайгу та джунглі. Або просто посадити дерево поряд із будинком. Або не ламати гілки. Тільки участь кожної людини планети Земля допоможе зберегти життя рідній планеті.
Але важливість фотосинтезу не обмежується переробкою вуглекислого газу на кисень. Саме в результаті фотосинтезу сформувався озоновий шар в атмосфері, що захищає планету від згубних променів ультрафіолету. Рослини - це їжа для більшості живих істот на Землі. Їжа необхідна та корисна. Поживність рослин теж заслуга фотосинтезу.
З недавнього часу хлорофіл стали активно використовувати у медицині. Люди здавна знали, що хворі тварини інстинктивно їдять зелене листя, щоб вилікуватися. Вчені з'ясували, що хлорофіл подібний до речовини в клітинах крові людини і здатний творити справжні дива.
Рослини отримують все необхідне для зростання та розвитку з навколишнього середовища. Цим вони від інших живих організмів. Для того, щоб вони добре розвивалися, потрібні родючий ґрунт, природний або штучний полив та гарне освітлення. У темряві нічого не зростатиме.
Ґрунт є джерелом води та поживних органічних сполук, мікроелементів. Але дерева, квіти, трави потребують також сонячної енергії. Саме під впливом сонячних променів відбуваються певні реакції, внаслідок яких вуглекислий газ, що поглинається з повітря, перетворюється на кисень. Такий процес називається фотосинтезом. Хімічна реакція, що протікає під впливом сонячного світла, призводить також до утворення глюкози та води. Ці речовини життєво необхідні у тому, щоб рослина розвивалося.
На мові хіміків реакція має такий вигляд: 6CO2 + 12H2O + світло = С6Н12О6 + 6O2 + 6Н2О. Спрощений вид рівняння: вуглекислий газ + вода + світло = глюкоза + кисень + вода.
Дослівно «фотосинтез» перекладається як «разом зі світлом». Це слово складається із двох простих слів «фото» та «синтез». Сонце є дуже сильним джерелом енергії. Люди використовують її для вироблення електрики, утеплення будинків, нагрівання води. Рослинам теж потрібна енергія сонця підтримки життя. Глюкоза, що утворюється в процесі фотосинтезу - це простий цукор, який є однією з найважливіших поживних речовин. Рослини використовують його для зростання та розвитку, а надлишок відкладається в листі, насінні, плодах. Не вся кількість глюкози залишається в зелених частинах рослин і плодах у незмінному вигляді. Прості цукру мають властивість перетворюватися на складніші, до яких можна віднести крохмаль. Такі запаси рослини витрачають у періоди нестачі поживних речовин. Саме ними зумовлена поживна цінність трав, плодів, квітів, листя для тварин та людей, які вживають рослинну їжу.
Як рослини поглинають світло
Процес фотосинтезу досить складний, але його можна описати стисло, щоб він став зрозумілим навіть для дітей шкільного віку. Одне з найпоширеніших питань стосується механізму поглинання світла. Як світлова енергія потрапляє в рослини? Процес фотосинтезу протікає у листі. У листі всіх рослин є зелені клітини – хлоропласти. Вони містять речовину під назвою хлорофіл. Хлорофіл - пігмент, який надає листям зеленого кольору і відповідає за поглинання світлової енергії. Багато людей не замислювалися про те, чому листя більшості рослин широке та плоске. Виявляється, природою передбачено це випадково. Широка поверхня дозволяє поглинути більше сонячних променів. З цієї причини сонячні батареї роблять широкими і плоскими.
Верхня частина листя захищена восковим шаром (кутикулою) від втрати води та несприятливого впливу погоди, шкідників. Його називають палісадним. Якщо уважно подивитися на лист, можна побачити, що його верхня сторона яскравіша і гладкіша. Насичений колір виходить за рахунок того, що у цій частині хлоропластів більше. Надлишок світла може знизити здатність рослини виробляти кисень та глюкозу. Під впливом яскравого сонця хлорофіл ушкоджується і це уповільнює фотосинтез. Уповільнення відбувається і з приходом осені, коли світла стає менше, а листя починає жовтіти через руйнування в них хлоропластів.
Не можна недооцінювати роль води у протіканні фотосинтезу та у підтримці життя рослин. Вода потрібна для:
- забезпечення рослин розчиненими у ній мінералами;
- підтримки тонусу;
- охолодження;
- можливості протікання хімічних та фізичних реакцій.
Воду дерева, чагарники, квіти поглинають із ґрунту корінням, а далі волога піднімається по стеблі, переходить у листя по прожилках, які видно навіть неозброєним оком.
Вуглекислий газ проникає через маленькі отвори в нижній частині листа - продихання. У нижній частині листа клітини розташовані таким чином, щоб вуглекислий газ міг проникати глибше. Це також дозволяє кисню, що утворюється під час фотосинтезу, легко залишати лист. Як і всі живі організми, рослини мають здатність дихати. При цьому на відміну від тварин і людей вони поглинають вуглекислий газ і виділяють кисень, а не навпаки. Там, де багато рослин, повітря дуже чисте, свіже. Саме тому так важливо дбати про дерева, чагарники, розбивати сквери та парки у великих містах.
Світлова та темнова фази фотосинтезу
Процес фотосинтезу складний і складається з двох фаз – світлової та темнової. Світлова фаза можлива лише у присутності сонячних променів. Під впливом світла молекули хлорофілу іонізуються, у результаті утворюється енергія, яка є каталізатором хімічної реакції. Порядок подій, що відбуваються у цій фазі, виглядає так:
- на молекулу хлорофілу потрапляє світло, яке поглинається зеленим пігментом і переводить його в збуджений стан;
- відбувається розщеплення води;
- синтезується АТФ, що є акумулятором енергії.
Темнова фаза фотосинтезу протікає без участі світлової енергії. На даному етапі утворюється глюкоза та кисень. При цьому важливо розуміти, що утворення глюкози та кисню відбувається цілодобово, а не лише у нічний час. Темнова фаза називається тому, що для її протікання присутність світла більше не потрібна. Каталізатором виступає АТФ, яка була синтезована раніше.
Значення фотосинтезу у природі
Фотосинтез - одне із найважливіших природних процесів. Він необхідний як підтримки життя рослин, але й всього живого планети. Фотосинтез потрібен для:
- забезпечення тварин та людей харчуванням;
- видалення вуглекислого газу та насичення повітря киснем;
- підтримки кругообігу поживних речовин.
Всі рослини залежать від швидкості протікання фотосинтезу. Сонячну енергію можна розглядати як фактор, який провокує чи стримує зростання. Наприклад, у південних районах та областях сонця багато і рослини можуть зростати досить високими. Якщо розглядати те, як процес протікає у водних екосистемах, на поверхні морів, океанів не бракує сонячних променів і в цих шарах спостерігається ріст водоростей. У глибших шарах води існує дефіцит сонячної енергії, що впливає на темпи зростання водної флори.
Процес фотосинтезу сприяє формуванню озонового шару атмосфері. Це дуже важливо, тому що він допомагає захистити все живе на планеті від згубної дії ультрафіолетових променів.
Фотосинтез- це синтез органічних сполук у листі зелених рослин з води та вуглекислого газу атмосфери з використанням сонячної (світлової) енергії, що адсорбується хлорофілом у хлоропластах.
Завдяки фотосинтезу відбувається уловлювання енергії видимого світла і перетворення її на хімічну енергію, що зберігається (запасається) в органічних речовинах, що утворюються при фотосинтезі.
Датою відкриття процесу фотосинтезу можна вважати 1771 р. Англійський вчений Дж. Прістлі звернув увагу на зміну складу повітря внаслідок життєдіяльності тварин. У присутності зелених рослин повітря знову ставало придатним як для дихання, так і для горіння. Надалі роботами низки вчених (Я. Інгенгауз, Ж. Сенеб'є, Т. Соссюр, Ж.Б. Буссенго) було встановлено, що зелені рослини з повітря поглинають С02, з якого за участю води на світлі утворюється органічна речовина. Саме цей процес 1877 р. німецький вчений В. Пфеффер назвав фотосинтезом. Велике значення розкриття сутності фотосинтезу мав закон збереження енергії, сформульований Р. Майером. У 1845 р. Р. Майєр висунув припущення, що енергія, використовувана рослинами, - це енергія Сонця, яку рослини у процесі фотосинтезу перетворюють на хімічну енергію. Це становище було розвинене та експериментально підтверджено у дослідженнях чудового російського вченого К.А. Тимірязєва.
Основна роль фотосинтезуючих організмів:
1) трансформація енергії сонячного світла на енергію хімічних зв'язків органічних сполук;
2) насичення атмосфери киснем;
В результаті фотосинтезу на Землі утворюється 150 млрд. т. органічної речовини і виділяється близько 200 млрд. т вільного кисню на рік. Він перешкоджає збільшенню концентрації CO2 в атмосфері, запобігаючи перегріву Землі (парниковий ефект).
Створена фотосинтезом атмосфера захищає живе від згубного короткохвильового ультрафіолетового випромінювання (киснево-озоновий екран атмосфери).
У врожай сільськогосподарських рослин переходить лише 1-2% сонячної енергії, втрати зумовлені неповним поглинанням світла. Тому є величезна перспектива підвищення врожайності завдяки селекції сортів із високою ефективністю фотосинтезу, створенню сприятливої для світлопоглинання структури посівів. У зв'язку з цим особливо актуальними стають розробка теоретичних засад управління фотосинтезом
Значення фотосинтезу гігантське. Зазначимо лише, що він постачає паливо (енергію) та атмосферний кисень, необхідні для існування всього живого. Отже, роль фотосинтезу планетарна.
Планетарність фотосинтезу визначається також тим, що завдяки кругообігу кисню та вуглецю (переважно) підтримується сучасний склад атмосфери, що у свою чергу визначає подальшу підтримку життя на Землі. Можна сказати далі, що енергія, яка запасається в продуктах фотосинтезу, є по суті основним джерелом енергії, яке зараз має людство.
Сумарна реакція фотосинтезу
СО 2 +Н 2 О = (СН 2 О) + О 2 .
Хімію фотосинтезу описують такими рівняннями:
Фотосинтез – 2 групи реакцій:
світлова стадія (залежать від освітленості)
темна стадія (залежить від температури).
Обидві групи реакцій протікають одночасно
Фотосинтез відбувається у хлоропластах зелених рослин.
Фотосинтез починається з уловлювання та поглинання світла пігментом хлорофілом, що міститься у хлоропластах клітин зелених рослин.
Цього виявляється достатньо, щоб усунути спектр поглинання молекули. 
Молекула хлорофілу поглинає фотони у фіолетовій та синій, а потім у червоній частині спектру, і не взаємодіє з фотонами у зеленій та жовтій частині спектру.
Тому хлорофіл і рослини виглядають зеленими - вони просто ніяк не можуть скористатися зеленими променями і залишають їх гуляти по білому світлу (роблячи його тим зеленіше).
Пігменти фотосинтезу розташовуються на внутрішній стороні мембрани тилакоїдів.
Пігменти організовані в фотосистеми(антенні поля з уловлювання світла) – що містять по 250–400 молекул різних пігментів.
Фотосистема складається з:
реакційного центруфотосистеми (молекула хлорофілу а),
антенних молекул
Усі пігменти у фотосистемі здатні передавати один одному енергію збудженого стану. Енергія фотона, поглинена тією чи іншою молекулою пігменту, переноситься на сусідню молекулу, доки досягне реакційного центру. Коли резонансна система реакційного центру переходить у збуджений стан, вона передає два збуджені електрони молекулі-акцептору і тим самим окислюється і набуває позитивного заряду.
У рослин:
фотосистема 1(Максимум поглинання світла на довжині хвилі 700 нм - Р700)
фотосистема 2(максимум поглинання світла на довжині хвилі 680 нм – Р680
Відмінності в оптимумах поглинання обумовлені невеликими відмінностями у структурі пігментів.
Дві системи працюють сполучено, як конвеєр, що складається з двох частин і називається нециклічним фотофосфорилюванням .
Сумарне рівняння для нециклічного фотофосфорилювання:
Ф - умовне позначення залишку фосфорної кислоти
Цикл починається із фотосистеми 2.
1) антенні молекули вловлюють фотон і передають збудження молекули активного центру Р680;
2) збуджена молекула Р680 віддає два електрони кофактору Q при цьому вона окислюється і набуває позитивного заряду;
Кофактор(cofactor). Кофермент або будь-яка інша речовина, необхідна для виконання ферментом його функції
Коферменти (коензими)[від лат. co (cum) - разом і ферменти], органічні сполуки небілкової природи, що у ферментативної реакції як акцепторів окремих атомів чи атомних груп, отщепляемых ферментом від молекули субстрату, тобто. для здійснення каталітичної дії ферментів. Ці речовини, на відміну від білкового компонента ферменту (апоферменту), мають порівняно невелику молекулярну масу і, як правило, термостабільні. Іноді під Коферментами мають на увазі будь-які низькомолекулярні речовини, участь яких необхідна для прояву каталітичної дії ферменту, в т.ч. та іони, напр. К + , Mg 2+ та Мn 2+ . Розташовуються оферменти. в активному центрі ферменту разом із субстратом і функціональними групами активного центру утворюють активований комплекс.
Для прояву каталітичної активності більшості ферментів потрібна наявність коферменту. Виняток становлять гідролітичні ферменти (наприклад, протеази, ліпази, рибонуклеаза), що виконують свою функцію без коферменту.
Молекула відновлюється Р680 (під дією ферментів). При цьому вода дисоціює на протони та молекулярний кисень,тобто. вода є донором електронів, який забезпечує заповнення електронів Р 680.
ФОТОЛІЗ ВОДИ- Розщеплення молекули води, зокрема у процесі фотосинтезу. Внаслідок фотолізу води утворюється кисень, що виділяється зеленими рослинами на світлі.
Loading...