Световая фаза фотосинтеза протекает. Что такое фотосинтез? Описание, особенности, фазы и значение фотосинтеза

Пластиды бывают трех видов:

• хлоропласты — зеленые, функция — фотосинтез
• хромопласты — красные и желтые, являются полуразрушенными хлоропластами, могут придавать яркую окраску лепесткам и плодам.
• лейкопласты — бесцветные, функция — запас веществ.

Строение хлоропластов

Покрыты двумя мембранами. Наружная мембрана гладкая, внутренняя имеет выросты внутрь — тилакоиды. Стопки коротких тилакоидов называются граны , они увеличивают площадь внутренней мембраны, чтобы расположить на ней как можно больше ферментов фотосинтеза.

Внутренняя среда хлоропласта называется строма. В ней находятся кольцевая ДНК и рибосомы, за счет них хлоропласты самостоятельно делают для себя часть белков, поэтому их называют полуавтономными органоидами. (Считается, что раньше и пластиды были свободными бактериями, которые были поглощены крупной клеткой, но не переварены.

)

Фотосинтез (простой)

В зеленых листьях на свету
В хлоропластах с помощью хлорофилла
Из углекислого газа и воды
Синтезируется глюкоза и кислород.

Фотосинтез (средняя сложность)

1. Световая фаза.
Происходит на свету в гранах хлоропластов. Под действием света происходит разложение (фотолиз) воды, получается кислород, который выбрасывается, а так же атомы водорода (НАДФ-Н) и энергия АТФ, которые используются в следующей стадии.

2. Темновая фаза.
Происходит как на свету, так и в темноте (свет не нужен), в строме хлоропластов. Из углекислого газа, полученного из окружающей среды и атомов водорода, полученных в предыдущей стадии, за счет энергии АТФ, полученной в предыдущей стадии, синтезируется глюкоза.

1. Установите соответствие между процессом фотосинтеза и фазой, в которой он происходит: 1) световая, 2) темновая. Запишите цифры 1 и 2 в правильном порядке.
А) образование молекул НАДФ-2Н
Б) выделение кислорода
В) синтез моносахарида

Г) синтез молекул АТФ
Д) присоединение углекислого газа к углеводу

Ответ

2. Установите соответствие между характеристикой и фазой фотосинтеза: 1) световая, 2) темновая. Запишите цифры 1 и 2 в правильном порядке.
А) фотолиз воды
Б) фиксация углекислого газа
В) расщепление молекул АТФ
Г) возбуждение хлорофилла квантами света
Д) синтез глюкозы

Ответ

3. Установите соответствие между процессом фотосинтеза и фазой, в которой он происходит: 1) световая, 2) темновая. Запишите цифры 1 и 2 в правильной последовательности.
А) образование молекул НАДФ*2Н
Б) выделение кислорода
В) синтез глюкозы
Г) синтез молекул АТФ
Д) восстановление углекислого газа

Ответ

4. Установите соответствие между процессами и фазой фотосинтеза: 1) световая, 2) темновая. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.

А) полимеризация глюкозы
Б) связывание углекислого газа
В) синтез АТФ
Г) фотолиз воды
Д) образование атомов водорода
Е) синтез глюкозы

Ответ

5. Установите соответствие между фазами фотосинтеза и их характеристиками: 1) световая, 2) темновая. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) осуществляется фотолиз воды
Б) образуется АТФ
В) кислород выделяется в атмосферу
Г) протекает с затратами энергии АТФ
Д) реакции могут протекать как на свету, так и в темноте

Ответ

ФОРМИРУЕМ 6:
А) восстановление НАДФ+
Б) транспорт ионов водорода через мембрану
В) преобразование НАДФ-2Р в НАДФ+

Г) перемещение возбужденных электронов

Проанализируйте таблицу. Заполните пустые ячейки таблицы, используя понятия и термины, приведенные в списке. Для каждой ячейки, обозначенной буквами, выберите соответствующий термин из предложенного списка.

1) мембраны тилакоидов
2) световая фаза
3) фиксация неорганического углерода
4) фотосинтез воды
5) темновая фаза
6) цитоплазма клетки

Ответ

Выберите три варианта. Темновая фаза фотосинтеза характеризуется
1) протеканием процессов на внутренних мембранах хлоропластов
2) синтезом глюкозы
3) фиксацией углекислого газа
4) протеканием процессов в строме хлоропластов
5) наличием фотолиза воды
6) образованием АТФ

Ответ

1. Перечисленные ниже признаки, кроме двух, используются для описания строения и функций изображенного органоида клетки. Определите два признака, «выпадающие» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.

2) накапливает молекулы АТФ
3) обеспечивает фотосинтез

5) обладает полуавтономностью

Ответ

2. Все перечисленные ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания изображённого на рисунке органоида клетки. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.

1) одномембранный органоид
2) состоит из крист и хроматина
3) содержит кольцевую ДНК
4) синтезирует собственный белок
5) способен к делению

Ответ

Все приведенные ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания строения и функций хлоропласта. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) является двумембранным органоидом
2) имеет собственную замкнутую молекулу ДНК
3) является полуавтономным органоидом
4) формирует веретено деления
5) заполнен клеточным соком с сахарозой

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Клеточный органоид, содержащий молекулу ДНК

1) рибосома
2) хлоропласт
3) клеточный центр
4) комплекс Гольджи

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. В синтезе какого вещества участвуют атомы водорода в темновой фазе фотосинтеза?
1) НАДФ-2Н
2) глюкозы
3) АТФ
4) воды

Ответ

Все приведенные ниже признаки, кроме двух, можно использовать для определения процессов световой фазы фотосинтеза. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) фотолиз воды

4) образование молекулярного кислорода

Ответ

Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. В световую фазу фотосинтеза в клетке
1) образуется кислород в результате разложения молекул воды
2) происходит синтез углеводов из углекислого газа и воды
3) происходит полимеризация молекул глюкозы с образованием крахмала
4) осуществляется синтез молекул АТФ
5) энергия молекул АТФ расходуется на синтез углеводов

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Какой клеточный органоид содержит ДНК
1) вакуоль
2) рибосома
3) хлоропласт
4) лизосома

Ответ

Вставьте в текст «Синтез органических веществ в растении» пропущенные термины из предложенного перечня, используя для этого цифровые обозначения. Запишите выбранные цифры в порядке, соответствующем буквам. Энергию, необходимую для своего существования, растения запасают в виде органических веществ. Эти вещества синтезируются в ходе __________ (А). Этот процесс протекает в клетках листа в __________ (Б) – особых пластидах зелёного цвета. Они содержат особое вещество зелёного цвета – __________ (В). Обязательным условием образования органических веществ помимо воды и углекислого газа является __________ (Г).
Список терминов:
1) дыхание
2) испарение

3) лейкопласт
4) питание
5) свет
6) фотосинтез
7) хлоропласт
8) хлорофилл

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. В клетках первичный синтез глюкозы происходит в
1) митохондриях
2) эндоплазматической сети
3) комплексе Гольджи
4) хлоропластах

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Молекулы кислорода в процессе фотосинтеза образуются за счет разложения молекул
1) углекислого газа
2) глюкозы
3) АТФ
4) воды

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Верны ли следующие суждения о фотосинтезе? А) В световой фазе происходит преобразование энергии света в энергию химических связей глюкозы. Б) Реакции темновой фазы протекают на мембранах тилакоидов, в которые поступают молекулы углекислого газа.
1) верно только А
2) верно только Б
3) верны оба суждения
4) оба суждения неверны

Ответ

1. Установите правильную последовательность процессов, протекающих при фотосинтезе. Запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны.
1) Использование углекислого газа
2) Образование кислорода
3) Синтез углеводов
4) Синтез молекул АТФ
5) Возбуждение хлорофилла

Ответ

2. Установите правильную последовательность процессов фотосинтеза.
1) преобразование солнечной энергии в энергию АТФ
2) образование возбуждённых электронов хлорофилла
3) фиксация углекислого газа
4) образование крахмала
5) преобразование энергии АТФ в энергию глюкозы

Ответ

3. Установите последовательность процессов, протекающих при фотосинтезе. Запишите соответствующую последовательность цифр.

2) расщепление АТФ и выделение энергии
3) синтез глюкозы
4) синтез молекул АТФ
5) возбуждение хлорофилла

Ответ

Выберите три особенности строения и функций хлоропластов
1) внутренние мембраны образуют кристы
2) многие реакции протекают в гранах
3) в них происходит синтез глюкозы
4) являются местом синтеза липидов
5) состоят из двух разных частиц
6) двумембранные органоиды

Ответ

Определите три верных утверждения из общего списка, и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны. В световую фазу фотосинтеза происходит
1) фотолиз воды
2) восстановление углекислого газа до глюкозы
3) синтез молекул АТФ за счет энергии солнечного света
4) соединение водорода с переносчиком НАДФ+
5) использование энергии молекул АТФ на синтез углеводов

Ответ

Все перечисленные ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания световой фазы фотосинтеза. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.

1) образуется побочный продукт – кислород
2) происходит в строме хлоропласта
3) связывание углекислого газа
4) синтез АТФ
5) фотолиз воды

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Процесс фотосинтеза следует рассматривать как одно из важных звеньев круговорота углерода в биосфере, так как в ходе его
1) растения вовлекают углерод из неживой природы в живую
2) растения выделяют в атмосферу кислород
3) организмы выделяют углекислый газ в процессе дыхания
4) промышленные производства пополняют атмосферу углекислым газом

Ответ

Установите соответствие между этапами процесса и процессами: 1) фотосинтез, 2) биосинтез белка. Запишите цифры 1 и 2 в правильном порядке.
А) выделение свободного кислорода
Б) образование пептидных связей между аминокислотами
В) синтез иРНК на ДНК
Г) процесс трансляции
Д) восстановление углеводов
Е) преобразование НАДФ+ в НАДФ 2Н

Ответ

Выберите органоиды клетки и их структуры, участвующие в процессе фотосинтеза.
1) лизосомы
2) хлоропласты
3) тилакоиды
4) граны
5) вакуоли
6) рибосомы

Ответ

Перечисленные ниже термины, кроме двух, используются для описания пластид. Определите два термина, «выпадающих» из общего списка, и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны.
1) пигмент
2) гликокаликс
3) грана
4) криста
5) тилакоид

Ответ

Ответ

Все приведённые ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания процесса фотосинтеза. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в ответ цифры, под которыми они указаны.
1) Для протекания процесса используется энергия света.
2) Процесс происходит при наличии ферментов.
3) Центральная роль в процессе принадлежит молекуле хлорофилла.
4) Процесс сопровождается расщеплением молекулы глюкозы.
5) Процесс не может происходить в клетках прокариот.

Ответ

Перечисленные ниже понятия, кроме двух, используются для описания темновой фазы фотосинтеза. Определите два понятия, «выпадающих» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) фиксация углекислого газа
2) фотолиз
3) окисление НАДФ·2Н
4) грана
5) строма

Ответ

Перечисленные ниже признаки, кроме двух, используются для описания строения и функций изображенного органоида клетки. Определите два признака, «выпадающие» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) расщепляет биополимеры на мономеры
2) накапливает молекулы АТФ
3) обеспечивает фотосинтез
4) относится к двумембранным органоидам
5) обладает полуавтономностью

Ответ

© Д.В.Поздняков, 2009-2019

Воду и минеральные вещества растения получают с помощью корней. Листья обеспечивают органическое питание растений. В отличие от корней они находятся не в почве, а в воздушной среде, поэтому осуществляют не почвенное, а воздушное питание.

Из истории изучения воздушного питания растений

Знания о питании растений накапливались постепенно.

Около 350 лет назад голландский ученый Ян Гельмонт впервые поставил опыт по изучению питания растений. В глиняном горшке с почвой он выращивал иву, добавляя туда только воду. Опадавшие листья ученый тщательно взвешивал. Через пять лет масса ивы вместе с опавшими листьями увеличилась на 74,5 кг, а масса почвы уменьшилась всего на 57 г. На основании этого Гельмонт пришел к выводу, что все вещества в растении образуются не из почвы, а из воды. Мнение о том, что растение увеличивается в размерах только за счет воды, сохранялось до конца XVIII века.

В 1771 г. английский химик Джозеф Пристли изучал углекислый газ, или, как он его называл, «испорченный воздух» и сделал замечательное открытие. Если зажечь свечу и накрыть оо стеклянным колпаком, то, немного погорев, она погаснет.

Мышь под таким колпаком начинает задыхаться. Однако если под колпак вместе с мышью поместить ветку мяты, то мышь не задыхается и продолжает жить. Значит, растения «исправляют» воздух, испорченный дыханием животных, то есть превращают углекислый газ в кислород.

В 1862 г. немецкий ботаник Юлиус Сакс с помощью опытов доказал, что зеленые растения не только выделяют кислород, но и создают органические вещества, служащие пищей всем другим организмам.

Фотосинтез

Главное отличие зеленых растений от других живых организмов — наличие в их клетках хлоропластов, содержащих хлорофилл. Хлорофилл обладает свойством улавливать солнечные лучи, энергия которых необходима для создания органических вещсств. Процесс образования органического вещества из углекислого газа и воды с помощью солнечной энергии называется фотосинтезом (греч. рЬо1оз свет). В процессе фотосинтеза образуются не только органические вещества — сахара, но и выделяется кислород.

Схематически процесс фотосинтеза можно изобразить так:

Вода поглощается корнями и по проводящей системе корней и стебля передвигается к листьям. Углекислый газ — составная часть воздуха. Он поступает в листья через открытые устьица. Поглощению углекислого газа способствует строение листа: плоская поверхность листовых пластинок, увеличивающая площадь соприкосновения с воздухом, и наличие большого числа устьиц в кожице.

Образующиеся в результате фотосинтеза сахара превращаются в крахмал. Крахмал это органическое вещество, которое не растворяется в воде. Кго легко обнаружить с помощью раствора йода.

Доказательства образования крахмала в листьях на свету

Докажем, что в зеленых листьях растений из углекислого газа и воды образуется крахмал. Для этого рассмотрим опыт, который в свое время был поставлен Юлиусом Саксом.

Комнатное растение (герань или примулу) выдерживают двое суток в темноте, чтобы весь крахмал израсходовался на процессы жизнедеятельности. Затем несколько листьев закрывают с двух сторон черной бумагой так, чтобы была прикрыта только их часть. Днем растение выставляют на свет, а ночью его дополнительно освещают с помощью настольной лампы.

Через сутки исследуемые листья срезают. Чтобы выяснить, в какой части листа образовался крахмал, листья кипятят в воле (чтобы набухли крахмальные зерна), а затем выдерживают в горячем спирте (хлорофилл при этом растворяется, и лист обесцвечивается). Затем листья промывают в воде и действуют на них слабым раствором йода. Тс участки листьев, которые были на свету, приобретают от действия йода синюю окраску. Это означает, что крахмал образовался в клетках освещенной части листа. Следовательно, фотосинтез происходит только на свету.

Доказательства необходимости углекислого газа для фотосинтеза

Чтобы доказать, что для образования крахмала в листьях необходим углекислый газ, комнатное растение также предварительно выдерживают в темноте. Затем один из листьев помещают в колбу с небольшим количеством известковой воды. Колбу закрывают ватным тампоном. Растение выставляют на свет. Углекислый газ поглощается известковой водой, поэтому его в колбе не будет. Лист срезается, и так же, как в предыдущем опыте, исследуется на наличие крахмала. Он выдерживается в горячей воде и спирте, обрабатывается раствором йода. Однако в этом случае результат опыта будет иным: лист не окрашивается в синий цвет, т.к. крахмал в нем не содержится. Следовательно, для образования крахмала, кроме света и воды, необходим углекислый газ.

Таким образом, мы ответили на вопрос, какую пищу получает растение из воздуха. Опыт показал, что это углекислый газ. Он необходим для образования органического вещества.

Организмы, самостоятельно создающие органические вещества для построения своего тела, называются автотрофамн (греч. autos — сам, trofe — пища).

Доказательства образования кислорода в процессе фотосинтеза

Чтобы доказать, что при фотосинтезе растения во внешнюю среду выделяют кислород, рассмотрим опыт с водным растением элодеей. Побеги элодеи опускают в сосуд с водой и сверху накрывают воронкой. На конец воронки надевают пробирку с водой. Растение выставляют на свет на двое-трое суток. На свету элодея выделяет пузырьки газа. Они скапливаются в верхней части пробирки, вытесняя воду. Для того чтобы выяснить, какой это газ, пробирку аккуратно снимают и вносят в нее тлеющую лучинку. Лучинка ярко вспыхивает. Это значит, что в колбе накопился газ, поддерживающий горение кислород.

Космическая роль растений

Растения, содержащие хлорофилл, способны усваивать солнечную энергию. Поэтому К.А. Тимирязев назвал их роль на Земле космической. Часть энергии Солнца, запасенная в органическом веществе, может долго сохраняться. Каменный уголь, торф, нефть образованы веществами, которые в далекие геологические времена были созданы зелеными растениями и вобрали в себя энергию Солнца. Сжигая природные горючие материалы, человек освобождает энергию, запасенную миллионы лет назад зелеными растениями.

Фотосинтез (Тесты)

1. Организмы, образующие органические вещества только из органических:

1.гетеротрофы

2.автотрофы

3.хемотрофы

4.миксотрофы

2. В световую фазу фотосинтеза происходит:

1.образование АТФ

2.образование глюкозы

3.выделение углекислого газа

4.образование углеводов

3. При фотосинтезе происходит образование кислорода, выделяющегося в процессе:

1. биосинтеза белка

2.фотолиза

3.возбуждения молекулы хлорофилла

4.соединения углекислого газа и воды

4. В результате фотосинтеза энергии света превращается в:

1. тепловую энергию

2.химическую энергию неорганических соединений

3. электрическую энергию тепловую энергию

4.химическую энергию органических соединений

5. Дыхание у анаэробов в живых организмах протекает в процессе:

1.кислородного окисления

2.фотосинтеза

3.брожения

4.хемосинтеза

6. Конечными продуктами окисления углеводов в клетке являются:

1.АДФ и вода

2.аммиак и углекислый газ

3.вода и углекислый газ

4.аммиак, углекислый газ и вода

7. На подготовительном этапе расщепления углеводов происходит гидролиз:

1. целлюлозы до глюкозы

2. белков до аминокислот

3.ДНК до нуклеотидов

4.жиров до глицерина и карбоновых кислот

8. Обеспечивают кислородное окисление ферменты:

1. пищеварительного тракта и лизосом

2.цитоплазмы

3.митохондрий

4.пластид

9. При гликолизе 3моль глюкозы запасает в форме АТФ:

10.Два моль глюкозы подверглось полному окислению в клетке животного, при этом выделилось углекислого газа:

11. В процессе хемосинтеза организмы преобразуют энергию окисления:

1.соединений серы

2.органических соединений

3.крахмала

12. Одному гену соответствует информация о молекуле:

1.аминокислоты

2.крахмала

4.нуклеотида

13.Генетический код состоит из трех нуклеотидов, значит он:

1. специфичен

2.избыточен

3.универсален

4.триплетен

14. В генетическом коде одной аминокислоте соответствует 2-6 триплетов, в этом проявляется его:

1.непрерывность

2.избыточность

3.универсальность

4.специфичность

15. Если нуклеотидный состав ДНК – АТТ-ЦГЦ-ТАТ, то нуклеотидный состав и-РНК:
1.ТАА-ЦГЦ-УТА

2.УАА-ГЦГ-АУА

3. УАА-ЦГЦ-АУА

4.УАА-ЦГЦ-АТА

16. Синтез белка не происходит на собственных рибосомах у:

1.вируса табачной мозаики

2.дрозофилы

3.муравья

4.холерного вибриона

17. Антибиотик:

1. является защитным белком крови

2.синтезирует новый белок в организме

3.является ослабленным возбудителем болезни

4.подавляет синтез белка возбудителя болезни

18. Участок молекулы ДНК, на котором происходит репликация, имеет 30.000 нуклеотидов (обе цепи). Для репликации потребуется:

19.Сколько разных аминокислот может транспортировать одна т-РНК:

1.всегда одну

2.всегда две

3.всегда три

4.некоторые могут транспортировать одну, некоторые – несколько.

20. Участок ДНК, с которого происходит транскрипция, содержит 153 нуклеотида, на данном участке закодирован полипептид из:

1.153 аминокислот

2.51 аминокислоты

3.49 аминокислот

4.459 аминокислот

21. При фотосинтезе кислород образуеться р результате

1. ​ фотосинтеза вода

2.​ разложения углеродного газа

3.​ востоновления углекислого газа до глюкозы

4.​ синтеза АТФ

В процессе фотосинтеза происходит

1.​ синтез углеводов и выделение кислорода

2.​ испарение воды и поглощение кислорода

3.​ газообмен и синтез липидов

4.​ выделение углекислого газа и синтез белка

23. В световую фазуфотосинтеза используеться энергия солнечного света для сентеза молекул

1.​ липидов

2.​ белков

3.​ нуклеиновая кислота

24. Под воздействием энергии солнечного света электрон поднимаеться на болие высокий энергетический уровень в молекуле

1.​ белка

2.​ глюкозы

3.​ хлорофила

4.​ биосинтеза белка

25. Растительная клетка, как и животная, получает энергию в процессе. .

1.​ окисления органических веществ

2.​ биосинтеза белка

3.​ синтеза липидов

4.​ синтеза нуклеиновых кислот

Фотосинтез протекает в хлоропластах клеток растений. В хлоропластах содержится пигмент хлорофилл, который участвует в процессе фотосинтеза и придает растениям зеленый цвет. Отсюда следует, что фотосинтез протекает только в зеленых частях растений.

Фотосинтез — это процесс образования органических веществ из неорганических. В частности, органическим веществом является глюкоза, а неорганическими — вода и углекислый газ.

Также для протекания фотосинтеза важно наличия солнечного света. Энергия света запасается в химических связях органического вещества. В этом и есть главный смысл фотосинтеза: связать энергию, которая в дальнейшем будет использоваться для поддержания жизни растения или животных, которые съедят это растение. Органическое вещество выступает лишь формой, способом для сохранения солнечной энергии.

Когда в клетках протекает фотосинтез, в хлоропластах и на их мембранах идут различные реакции.

Свет нужен не для всех из них. Поэтому выделяют две фазы фотосинтеза: световую и темновую. Для темновой фазы свет не нужен, и она может происходить ночью.

Углекислый газ попадает в клетки из воздуха через поверхность растения. Вода идет из корней по стеблю.

В результате процесса фотосинтеза образуется не только органическое вещество, но и кислород. Кислород выделяется в воздух через поверхность растения.

Образовавшаяся в результате фотосинтеза глюкоза переносится в другие клетки, превращается в крахмал (запасается), используется на процессы жизнедеятельности.

Главным органом, в котором протекает фотосинтез, у большинства растений является лист. Именно в листьях много фотосинтезирующих клеток, составляющих фотосинтезирующую ткань.

Поскольку для фотосинтеза важен солнечный свет, то листья обычно имеют большую поверхность. Другими словами, они плоские и тонкие. Чтобы свет попадал на все листья, у растений они располагаются так, чтобы почти не затенять друг друга.

Итак, для протекания процесса фотосинтеза нужен углекислый газ, вода и свет . Продуктами фотосинтеза являются органическое вещество (глюкоза) и кислород . Фотосинтез протекает в хлоропластах , которых больше всего в листьях.

В растениях (преимущественно в их листьях) на свету протекает фотосинтез. Это процесс, при котором из углекислого газа и воды образуется органическое вещество глюкоза (один из видов сахаров). Далее глюкоза в клетках превращается в более сложное вещество крахмал. И глюкоза, и крахмал являются углеводами.

В процессе фотосинтеза образуется не только органическое вещество, но также, в качестве побочного продукта, выделяется кислород.

Углекислый газ и вода — это неорганические вещества, а глюкоза и крахмал — органические.

Поэтому часто говорят, что фотосинтез — это процесс образования органических веществ из неорганических на свету. Только растения, некоторые одноклеточные эукариоты и некоторые бактерии способны к фотосинтезу. В клетках животных и грибов такого процесса нет, поэтому они вынуждены поглощать из окружающей среды органические вещества. В связи с этим растения называют автотрофами, а животных и грибов — гетеротрофами.

Процесс фотосинтеза у растений протекает в хлоропластах, в которых содержится зеленый пигмент хлорофилл.

Итак, для протекания фотосинтеза необходимы:

В процессе фотосинтеза образуются:

органические вещества,

кислород.

Растения приспособлены к улавливанию света. У многих травянистых растений листья собраны в так называемую прикорневую розетку, когда листья не затеняют друг друга. Для деревьев характерна листовая мозаика, при которой листья растут так, чтобы как можно меньше затенять друг друга. У растений листовые пластинки могут поворачиваться к свету за счет изгибов черешков листьев. При всем этом существуют тенелюбивые растения, которые могут расти только в тени.

Вода для фотосинтеза поступает в листья из корней по стеблю . Поэтому важно, чтобы растение получало достаточное количество влаги. При недостатке воды и некоторых минеральных веществ процесс фотосинтеза тормозится.

Углекислый газ для фотосинтеза берется непосредственно из воздуха листьями . Кислород, который вырабатывается растением в процессе фотосинтеза, наоборот, выделяется в воздух. Газообмену способствуют межклетники (промежутки между клетками).

Образовавшиеся в процессе фотосинтеза органические вещества отчасти используются в самих листьях, но в основном оттекают во все другие органы и превращаются в другие органические вещества, используются при энергетическом обмене, превращаются в запасные питательные вещества.

Фотосинтез

Фотосинтез — процесс синтеза органических веществ за счет энергии света. Организмы, которые способны из неорганических соединений синтезировать органические вещества, называют автотрофными. Фотосинтез свойственен только клеткам автотрофных организмов. Гетеротрофные организмы не способны синтезировать органические вещества из неорганических соединений.
Клетки зеленых растений и некоторых бактерий имеют специальные структуры и комплексы химических веществ, которые позволяют им улавливать энергию солнечного света.

Роль хлоропластов в фотосинтезе

В клетках растений имеются микроскопические образования — хлоропласты. Это органоиды, в которых происходит поглощение энергии и света и превращение ее в энергию АТФ и иных молекул — носителей энергии. В гранах хлоропластов содержится хлорофилл — сложное органическое вещество. Хлорофилл улавливает энергию света для использования ее в процессах биосинтеза глюкозы и других органических веществ. Ферменты, необходимые для синтеза глюкозы, расположены также в хлоропластах.

Световая фаза фотосинтеза

Квант красного света, поглощенный хлорофиллом, переводит электрон в возбужденное состояние. Возбужденный светом электрон приобретает большой запас энергии, вследствие чего перемещается на более высокий энергетический уровень. Возбужденный светом электрон можно сравнить с камнем, поднятым на высоту, который также приобретает потенциальную энергию. Он теряет ее, падая с высоты. Возбужденный электрон, как по ступеням, перемещается по цепи сложных органических соединений, встроенных в хлоропласт. Перемещаясь с одной ступени на другую, электрон теряет энергию, которая используется для синтеза АТФ. Растративший энергию электрон возвращается к хлорофиллу. Новая порция световой энергии вновь возбуждает электрон хлорофилла. Он снова проходит по тому же пути, расходуя энергию на образования молекул АТФ.
Ионы водорода и электроны, необходимые для восстановления молекул-носителей энергии, образуются при расщеплении молекул воды. Расщепление молекул воды в хлоропластах осуществляется специальным белком под воздействием света. Называется этот процесс фотолизом воды .
Таким образом, энергия солнечного света непосредственно используется растительной клеткой для:
1. возбуждения электронов хлорофилла, энергия которых далее расходуется на образование АТФ и других молекул-носителей энергии;
2. фотолиза воды, поставляющего ионы водорода и электроны в световую фазу фотосинтеза.
При этом выделяется кислород как побочный продукт реакций фотолиза.

Этап, в течение которого за счет энергии света образуются богатые энергией соединения — АТФ и молекулы-носители энергии, называют световой фазой фотосинтеза .

Темновая фаза фотосинтеза

В хлоропластах есть пятиуглеродные сахара, один из которых рибулозодифосфат , является акцептором углекислого газа. Особый фермент связывает пятиуглеродный сахар с углекислым газом воздуха. При этом образуется соединения, которые ща счет энергии АТФ и иных молекул-носителей энергии восстанавливаются до шестиуглеродной молекулы глюкозы.

Таким образом, энергия света, преобразованная в течение световой фазы в энергию АТФ и иных молекул-носителей энергии, используется для синтеза глюкозы.

Эти процессы могут идти в темноте.
Из растительных клеток удалось выделить хлоропласты, которые в пробирке под действием света осуществляли фотосинтез — образовывали новые молекулы глюкозы, при этом поглощали углекислый газ. Если прекращали освещать хлоропласты, то приостанавливался и синтез глюкозы. Однако если к хлоропластам добавляли АТФ и восстановленные молекулы-носители энергии, то синтез глюкозы возобновлялся и мог идти в темноте. Это означает, что свет действительно нужен только для синтеза АТФ и зарядки молекул-носителей энергии. Поглощение углекислого газа и образование глюкозы в растениях называют темновой фазой фотосинтеза , поскольку она может идти в темноте.
Интенсивное освещение, повышенное содержание углекислого газа в воздухе приводят к повышению активности фотосинтеза.

Другие заметки по биологии

Больше интересных статей:

Жизнь человека, как и всего живого на Земле невозможна без дыхания. Мы вдыхаем из воздуха кислород, а выдыхаем углекислый газ. Но почему же кислород не кончается? Оказывается, воздух в атмосфере непрерывно подпитывается кислородом. И происходит это насыщение именно благодаря фотосинтезу.

Фотосинтез — просто и понятно!

Каждый человек обязан понимать, что такое фотосинтез. Для этого совсем не нужно писать сложные формулы, достаточно понять всю важность и волшебство этого процесса.

Главную роль в процессе фотосинтеза играют растения – трава, деревья, кустарники. Именно в листьях растений на протяжении миллионов лет происходит удивительное превращение углекислого газа в кислород, так необходимый для жизни любителям дышать. Попробуем разобрать весь процесс фотосинтеза по порядку.

1. Растения берут из почвы воду с растворенными в ней минеральными веществами – азот, фосфор, марганец, калий, различные соли – всего больше 50 различных химических элементов. Это необходимо растениям для питания. Но из земли растения получают лишь 1/5 часть необходимых веществ. Остальные 4/5 они получают из воздуха!

2. Из воздуха растения поглощают углекислый газ. Тот самый углекислый газ, который мы выдыхаем каждую секунду. Углекислым газом растения дышат, как мы с вами дышим кислородом. Но и этого мало.

3. Незаменимый компонент в природной лаборатории — солнечный свет. Солнечные лучи в листьях растений пробуждают необычайную химическую реакцию. Как же это происходит?

4. В листьях растений есть удивительное вещество – хлорофилл . Хлорофилл способен улавливать потоки солнечного света и неутомимо перерабатывать полученные воду, микроэлементы, углекислый газ в органические вещества, необходимые каждому живому существу нашей планеты. В этот момент растения выделяют в атмосферу кислород! Именно эту работу хлорофилла ученые называют сложным словом – фотосинтез .

Презентацию по теме Фотосинтез можно скачать на образовательном портале

Так почему трава зелёная?

Теперь, когда мы знаем, что в клетках растений, содержится хлорофилл, на этот вопрос ответить очень легко. Недаром с древнегреческого языка хлорофилл переводится как «зелёный лист». Для фотосинтеза хлорофилл использует все лучи солнечного света, кроме зеленого. Мы видим траву, листья растений зелеными именно потому, что хлорофилл получается зеленым.

Значение фотосинтеза.

Значение фотосинтеза невозможно переоценить — без фотосинтеза в атмосфере нашей планеты накопилось бы слишком много углекислого газа, большинство живых организмов просто не смогли бы дышать и погибли. Наша Земля превратилась бы в безжизненную планету. Для того чтобы этого не допустить каждому человеку планеты Земля нужно помнить, что мы очень обязаны растениям.

Именно поэтому так важно в городах делать как можно больше парков и зелёных насаждений. Беречь от уничтожения тайгу и джунгли. Или просто посадить дерево рядом с домом. Или не ломать ветки. Только участие каждого человека планеты Земля поможет сохранить жизнь на родной планете.

Но важность фотосинтеза не ограничивается переработкой углекислого газа в кислород. Именно в результате фотосинтеза сформировался озоновый слой в атмосфере, защищающий планету от губительных лучей ультрафиолета. Растения это пища для большинства живых существ на Земле. Пища необходимая и полезная. Питательность растений это тоже заслуга фотосинтеза.

С недавнего времени хлорофилл стали активно использовать в медицине. Люди издавна знали, что больные животные инстинктивно едят зеленые листья, чтобы вылечиться. Ученые выяснили, что хлорофилл сходен с веществом в клетках крови человека и способен творить настоящие чудеса.

Процесс фотосинтеза завершается реакциями темновой фазы, в ходе которых образуются углеводы. Для осуществления этих реакций используется энергия и вещества, запасённые в ходе световой фазы: за открытие данного цикла реакций в 1961 году была присуждена Нобелевская премия. Постараемся рассказать кратко и понятно про темновую фазу фотосинтеза.

Локализация и условия

Реакции темновой фазы проходят в строме (матриксе) хлоропластов. Они не зависят от наличия света, т. к. необходимая для них энергия уже запасена в форме АТФ.

Для синтеза углеводов используется водород, полученный при фотолизе воды и связанный в молекулах НАДФН₂. Также необходимо наличие сахаров, к которым будет присоединяться атом углерода из молекулы СО₂.

Источником сахаров для прорастающих растений является эндосперм — запасные вещества, которые находятся в семени и получены от родительского растения.

Изучение

Совокупность химических реакций темновой фазы фотосинтеза, ведущую к образованию глюкозы, открыл со своими сотрудниками М. Кальвин.

ТОП-4 статьи которые читают вместе с этой

Рис. 1. Мелвин Кальвин в лаборатории.

Первым этапом фазы является получение соединений с тремя атомами углерода.

Для некоторых растений первым этапом будет образование органических кислот с 4 атомами углерода. Этот путь был открыт австралийскими учёными М. Хетчем и С. Слэком и называется С₄ – фотосинтезом.

Итогом С₄ – фотосинтеза также является глюкоза и другие сахара.

Связывание СО₂

За счёт энергии АТФ, полученной в световой фазе, в строме активируются молекулы рибулозофосфата. Он превращается в высокореакционное соединение рибулозодифосфат (РДФ), имеющее 5 атомов углерода.

Рис. 2. Схема присоединение СО₂ к РДФ.

Образуются две молекулы фосфоглицериновой кислоты (ФГК), имеющей три углеродных атома. На следующем этапе ФГК реагирует с АТФ и образует дифосфоглицериновую кислоту. ДиФГК взаимодействует с НАДФН₂ и восстанавливается до фосфоглицеринового альдегида (ФГА).

Все реакции происходят только под воздействием соответствующих ферментов.

ФГА образует фосфодиоксиацетон.

Образование гексозы

На следующем этапе путём конденсации ФГА и фосфодиоксиацетона образуется фруктозодифосфат, который содержит 6 атомов углерода и является исходным материалом для образования сахарозы и полисахаридов.

Рис. 3. Схема темновой фазы фотосинтеза.

Фруктозодифосфат может взаимодействовать с ФГА и другими продуктами темновой фазы, давая начало цепям 4-, 5-, 6-, 7-углеродных сахаров. Одним из устойчивых продуктов фотосинтеза является рибулозофосфат, который снова включается в цикл реакций, взаимодействуя с АТФ. Чтобы получить молекулу глюкозы проходит 6 циклов реакций темновой фазы.

Углеводы являются основным продуктом фотосинтеза, но также из промежуточных продуктов цикла Кальвина образуются аминокислоты, жирные кислоты, гликолипиды.

Таким образом, в организме растения многие функции зависят от того, что происходит в темновой фазе фотосинтеза. Вещества, полученные в этой фазе, используются в биосинтезе белков, жиров, дыхании и других внутриклеточных процессах. Оценка доклада

Средняя оценка: 4 . Всего получено оценок: 72.

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Задачи: Сформировать знания о реакциях пластического и энергетического обменов и их взаимосвязи; вспомнить особенности строения хлоропластов. Дать характеристику световой и темновой фазы фотосинтеза. Показать значение фотосинтеза как процесса, обеспечивающего синтез органических веществ, поглощение углекислого газа и выделение кислорода в атмосферу.

Тип урока: лекция.

Оборудование:

1. Средства наглядности: таблицы по общей биологии;
2. ТСО: компьютер; мультимедиапроектор.

План лекции:

1. История изучения процесса.
2. Эксперименты по фотосинтезу.
3. Фотосинтез, как анаболический процесс.
4. Хлорофилл и его свойства.
5. Фотосистемы.
6. Световая фаза фотосинтеза.
7. Темновая фаза фотосинтеза.
8. Лимитирующие факторы фотосинтеза.

Ход лекции

История изучения фотосинтеза

1630 год начало изучения фотосинтеза. Ван Гельмонт доказал, что растения образуют органические вещества, а не получают их из почвы. Взвешивая горшок с землей и ивой, и отдельно само дерево, он показал, что через 5 лет масса дерева увеличилась на 74 кг, тогда как почва потеряла только 57 г. Он решил, что пищу дерево получает из воды. В настоящее время мы знаем, что используется углекислый газ.

В 1804 году Соссюр установил, что в процессе фотосинтеза велико значение воды.

В 1887 году открыты хемосинтезирующие бактерии.

В 1905 году Блэкман установил, что фотосинтез состоит из двух фаз: быстрой – световой и ряда последовательных медленных реакций темновой фазы.

Эксперименты по фотосинтезу

1 опыт доказывает значение солнечного света (рис. 1.)	2 опыт доказывает значение углекислого газа для фотосинтеза (рис. 2.)
3 опыт доказывает значение фотосинтеза (рис.3.)

Фотосинтез, как анаболический процесс

1. Ежегодно в результате фотосинтеза образуется 150 млрд. тонн органического вещества и 200 млрд. тонн свободного кислорода.
2. Круговорот кислорода, углерода и других элементов, вовлекаемых в фотосинтез. Поддерживает современный состав атмосферы, необходимый для существования современных форм жизни.
3. Фотосинтез препятствует увеличению концентрации углекислого газа, предотвращая перегрев Земли вследствие парникового эффекта.
4. Фотосинтез – основа всех цепей питания на Земле.
5. Запасенная в продуктах энергия – основной источник энергии для человечества.

Сущность фотосинтеза заключается в превращении световой энергии солнечного луча в химическую энергию в виде АТФ и НАДФ·Н 2 .

Суммарное уравнение фотосинтеза:

6СО 2 + 6Н 2 О → С 6 Н 12 О 6 + 6О 2

Существует два главных типа фотосинтеза:

Хлорофилл и его свойства

Виды хлорофилла

Хлорофилл имеет модификации а, в, с, d. Отличаются они структурным строением и спектром поглощения света. Например: хлорофилл в содержит на один атом кислорода больше и на два атома водорода меньше, чем хлорофилл а.

Все растения и оксифотобактерии имеют как основной пигмент желто-зеленый хлорофилл а, а как дополнительный хлорофилл в.

Другие пигменты растений

Некоторые другие пигменты способны поглощать солнечную энергию и передавать ее в хлорофилл, вовлекая ее тем самым в фотосинтез.

У большинства растений есть темно оранжевый пигмент – каротин , который в животном организме превращается в витамин А и желтый пигмент – ксантофилл .

Фикоцианин и фикоэритрин – содержат красные и сине-зеленые водоросли. У красных водорослей эти пигменты принимают более активное участие в процессе фотосинтеза, чем хлорофилл.

Хлорофилл минимально поглощает свет в сине-зеленой части спектра. Хлорофилл а, в- в фиолетовой области спектра, где длина волны 440 нм. Уникальная функция хлорофилла состоит в том, что он интенсивно поглощает солнечную энергию и передает ее другим молекулам.

Пигменты поглощают определенную длину волны, не поглощенные участки солнечного спектра отражаются, что обеспечивает окраску пигмента. Зеленый свет не поглощается, поэтому хлорофилл зеленый.

Пигменты – это химические соединения, которые поглощают видимый свет, что приводит электроны в возбужденное состояние. Чем меньше длина волны, тем больше энергия света и больше его способность переводить электроны в возбужденное состояние. Это состояние неустойчиво и вскоре вся молекула возвращается в свое обычное низкоэнергетическое состояние теряя при этом энергию возбуждения. Эта энергия может быть использована на флуоресценцию.

Фотосистемы

Пигменты растений участвующие в фотосинтезе «упакованы» в тилакоиды хлоропластов в виде функциональных фотосинтетических единиц – фотосинтетических систем: фотосистемы I и фотосистемы II.

Каждая система состоит из набора вспомогательных пигментов (от 250 до 400 молекул), передающих энергию на одну молекулу главного пигмента и она называется реакционным центром . В нем энергия Солнца используется для фотохимических реакций.

Световая фаза идет обязательно с участием света, темновая фаза и на свету и в темноте. Световой процесс происходит в тилакоидах хлоропластов, темновой – в строме, т.е. эти процессы пространственно разобщены.

Световая фаза фотосинтеза

В 1958 году Арнон и его сотрудники изучили световую фазу фотосинтеза. Они установили, что источником энергии при фотосинтезе является свет, а так как на свету в хлорофилле происходит синтез из АДФ+Ф.к. → АТФ, то этот процесс называется фосфорилированием. Оно сопряжено с переносом электронов в мембранах.

Роль световых реакций: 1. Синтез АТФ – фосфорилирование. 2. Синтез НАДФ.Н 2 .

Путь переноса электронов называется Z-схемой.

Z-схема. Нециклическое и циклическое фотофосфорилирование (рис. 6.)

В ходе циклического транспорта электронов не происходит образования НАДФ.Н 2 и фоторазложения Н 2 О, следовательно и выделение О 2 . Этот путь используется тогда, когда в клетке избыток НАДФ.Н 2 , но требуется дополнительная АТФ.

Все эти процессы относятся к световой фазе фотосинтеза. В дальнейшем энергия АТФ и НАДФ.Н 2 используется для синтеза глюкозы. Для этого процесса свет не нужен. Это реакции темновой фазы фотосинтеза.

Темновая фаза фотосинтеза или цикл Кальвина

Синтез глюкозы происходит в ходе циклического процесса, который получил название по имени ученого Мельвина Кальвина, открывшего его, и награжденного Нобелевской премией.

Рис. 8. Цикл Кальвина

Каждая реакция цикла Кальвина осуществляется своим ферментом. Для образования глюкозы используются: СО 2 , протоны и электроны от НАДФ.Н 2 , энергия АТФ и НАДФ.Н 2 . Происходит процесс в строме хлоропласта. Исходным и конечным соединением цикла Кальвина, к которому с помощью фермента рибулозодифосфаткарбоксилазы присоединяется СО2, является пятиуглеродный сахар – рибулозобифосфат , содержащий две фосфатные группы. В результате образуется шестиуглеродное соединение, сразу же распадающееся на две трехуглеродные молекулы фосфоглицериновой кислоты , которые затем восстанавливаются до фосфоглицеринового альдегида . При этом, часть образовавшегося фосфоглицеринового альдегида используется для регенерации рибулозобифосфата, и, таким образом, цикл возобновляется снова (5С 3 → 3С 5), а часть используется для синтеза глюкозы и других органических соединений (2С 3 → С 6 → С 6 Н 12 О 6).

Для образования одной молекулы глюкозы необходимо 6 оборотов цикла и требуется 12НАДФ. Н 2 и 18 АТФ. Из суммарного уравнения реакции получается:

6СО 2 + 6Н 2 О → С 6 Н 12 О 6 + 6О 2

Из приведенного уравнения видно, что атомы С и О вошли в глюкозу из СО 2 , а атомы водорода из Н 2 О. Глюкоза в дальнейшем может быть использована как на синтез сложных углеводов (целлюлозы, крахмала), так и на образование белков и липидов.

(С 4 – фотосинтез. В 1965 году было доказано, что у сахарного тростника – первыми продуктами фотосинтеза, являются кислоты, содержащие четыре атома углерода (яблочная, щавелевоуксусная, аспарагиновая). К С 4 растениям принадлежат кукуруза, сорго, просо).

Лимитирующие факторы фотосинтеза

Скорость фотосинтеза – наиболее важный фактор влияющий на урожайность с/х культур. Так, для темновых фаз фотосинтеза нужны НАДФ.Н 2 и АТФ, и поэтому скорость темновых реакций зависит от световых реакций. При слабой освещенности скорость образования органических веществ будет мала. Поэтому свет – лимитирующий фактор.

Из всех факторов одновременно влияющих на процесс фотосинтеза лимитирующим будет тот, который ближе к минимальному уровню. Это установил Блэкман в 1905 году . Разные факторы могут быть лимитными, но один из них главный.

Космическая роль растений (описана К. А. Тимирязевым ) заключается в том, что растения – единственные организмы, усваивающие солнечную энергию и аккумулирующие ее в виде потенциальной химической энергии органических соединений . Выделяющийся О 2 поддерживает жизнедеятельность всех аэробных организмов. Из кислорода образуется озон, который защищает все живое от ультрафиолетовых лучей. Растения использовали из атмосферы громадное количество СО 2 , избыток которого создавал «парниковый эффект», и температура планеты понизилась до нынешних значений.

Рекомендуем также

Фотосинтез и его фазы (световая и темновая)

Фотосинтез — уникальная система процессов создания с помощью хлоро­филла и энергии света органических веществ из неорганических и выделения кислорода в атмосферу, реализуемая в огромных масштабах на суше и в воде.

Фотосинтез происходит в клетках зелёных растений с помо­щью пигментов, главным образом хлорофилла, находящегося в хлоропластах клетки. Его продуктами являются мономеры углеводов (моносахариды: глюко­за, фруктоза и др.).

В основе фотосинтеза лежит окислительно-восстановительный процесс, в котором электроны переносятся от донора-восстановителя (вода, водород и др.) к акцептору (CO₂ , ацетат и др.) с образованием восстановлен­ных соединений (углевода) и выделением кислорода, если окисляется вода. Фотосинтезирующие бактерии часто используют другие доноры, а не воду, кислород при этом они не выделяют.

В системе процессов фотосинтеза различают два цикла реакций, как две фазы, последовательно и непрерывно идущие друг за другом — световую и темновую (рис. 62).

Световая фаза фотосинтеза характеризуется тем, что здесь все процес­сы происходят только при участии энергии света, поэтому её и называют све­товой. Связывание солнечной (электромагнитной) энергии происходит пре­имущественно на мембранах тилакоидов хлоропласта. Размещающийся здесь хлорофилл и другие пигменты собраны в функциональные единицы-комплексы — пигментные системы, получившие название фотосистемы.

Рис. 62. Схема фотосинтеза

Таким образом, светособирающие и пигментно-белковые комплексы фотосистемы I и фотосистемы II обеспечивают процесс фотосинтеза необходимой энергией в ви­де макроэнергетических соединений НАДФ•Н и АТФ. В этом заключается ос­новная функция световой фазы фотосинтеза. Она реализуется только при участии света и с помощью пигментов, размещённых в тилакоидной мембра­не хлоропластов.

Темновая фаза фотосинтеза проходит в строме хлоропласта без непо­средственного поглощения света, в любое время суток. В процессе световой фа­зы фотосинтеза накапливается достаточно высокий уровень АТФ и НАДФ•Н. Однако сами по себе эти высокоэнергетические соединения не способны синте­зировать углеводы из CO₂. Поэтому становится очевидным, что и темновая фа­за фотосинтеза — сложный процесс, включающий большое количество реакций. Материал с сайта http://doklad-referat.ru

Все процессы темновой фазы фотосинтеза идут без непосредственного потребления света, но в них большую роль играют высокоэнергетические ве­щества (АТФ и НАДФ•Н), образующиеся с участием энергии света, во время световой фазы фотосинтеза. В процессе темновой фазы энергия макроэнергетических связей АТФ преобразуется в химическую энергию органических соединений молекул углеводов. Это значит, что энергия солнечного света как бы консервируется в химических связях между атомами органических ве­ществ, что имеет огромное значение в энергетике биосферы и конкретно для жизнедеятельности всего живого населения нашей планеты.

Фотосинтез происходит в хлоропластах клетки и представляет собой синтез углеводов в хлорофиллоносных клетках, идущий с потреблением энергии сол­нечного света. Различают световую и темповую фазы фотосинтеза. Световая фаза при непосредственном потреблении квантов света обеспечивает про­цесс синтеза необходимой энергией в виде НАДН и АТФ. Темновая фаза — без участия света, но путем многочисленного ряда химических реакций (цикл Кальвина) обеспечивает образование углеводов, главным образом глюкозы. Значение фотосинтеза в биосфере огромно.

На этой странице материал по темам:

• Реферат темновая фаза фотосинтеза скачати

• Фотосинтез кратко световая и темновая фаза

• Стадии фотосинтеза световая и темновая кратко и поэтапно

• Реферат темновая фаза фотосинтеза

• Фотосинтез световая и темновая фаза кратко

Вопросы по этому материалу:

• Где происходит фотосинтез в растительной клетке?

• Какие превращения происходят во время световой фазы фото­синтеза?

• Что является результатом световой фазы фото­синтеза?

• Где протекают темновые реакции фотосинтеза?

просто и понятно о его значении в биологии

Определение

История открытия

Значение в жизни человека

Формула

Значение для растений

Как происходит

Фазы

Световая фаза

Темновая фаза

Видео

Определение

Процесс фотосинтеза является одним из важнейших биологических процессов, протекающих в природе, ведь именно благодаря ему происходит образование органических веществ из углекислого газа и воды под действием света, именно это явление и называют фотосинтезом. И что самое важное, в процессе фотосинтеза происходит выделение кислорода, жизненно необходимого для существования жизни на нашей удивительной планете.

История открытия

История открытия явления фотосинтеза уходит своими корнями на четыре века в прошлое, когда в далеком 1600 году некий бельгийский ученый Ян Ван Гельмонт поставил не сложный эксперимент. Он поместил веточку ивы (предварительно записав ее начальный вес) в мешок, в котором также находилось 80 кг земли. А затем на протяжении пяти лет растение поливалось исключительно дождевой водой. Каким же было удивление ученого, когда по прошествии пяти лет вес растения увеличился на 60 кг, при том, что масса земли уменьшилась всего лишь на 50 грамм, откуда взялась столь внушительная прибавка в весе, так и оставалось для ученого загадкой.

Следующий важный и интересный эксперимент, ставший преддверием к открытию фотосинтеза, был поставлен английским ученым Джозефом Пристли в 1771 году (любопытно, что по роду своей профессии мистер Пристли был священником англиканской церкви, но в историю вошел именно как выдающийся ученый). Что же сделал мистер Пристли? Он поместил мышь под колпак и через пять дней та умерла. Затем он снова поместил еще одну мышь под колпак, но в этот раз вместе с мышкой под колпаком была веточка мяты и в результате мышь осталась живой. Полученный результат навел ученого на мысль, о том, что существует некий процесс, противоположный дыханию. Еще одним важным выводом этого эксперимента стало открытие кислорода, как жизненно необходимого всем живим существам (первая мышка умерла от его отсутствия, вторая же выжила, благодаря веточке мяты, которая в процессе фотосинтеза как раз создала кислород).

Так был установлен факт, что зеленые части растений способны выделять кислород. Затем уже в 1782 году швейцарский ученый Жан Сенебье доказал, что углекислый газ под воздействием света разлагается в зеленых органоидах растений – фактически была открыта еще одна сторона фотосинтеза. Затем еще через 5 лет французский ученый Жак Бусенго обнаружил, что поглощение растениями воды происходит и при синтезе органических веществ.

И финальным аккордом в череде научных открытий связанных с явлением фотосинтеза стало открытие немецкого ботаника Юлиуса Сакса, которому в 1864 году удалось доказать, что объем потребляемого углекислого газа и выделяемого кислорода происходит в пропорции 1:1.

Значение в жизни человека

Если представить образно, то лист любого растения можно сравнить с маленькой лабораторией, окна которой выходят на солнечную сторону. В этой самой лаборатории идет образование органических веществ и кислорода, являющегося основой для существования органической жизни на Земле. Ведь без кислорода и фотосинтеза на Земле просто бы не существовало жизни.

Но если фотосинтез столь важен для жизни и выделения кислорода, то как живут люди (да и не только люди), например в пустыне, где минимум зеленых растений, или например, в индустриальном городе, где деревья редкость. Дело в том, что на долю наземных растений приходится всего 20% выделяемого в атмосферу кислорода, остальные же 80% выделяются морскими и океанскими водорослями, недаром ведь мировой океан порой называю «легкими нашей планеты».

Формула

Общую формулу фотосинтеза можно записать следующим образом:

Вода + Углекислый газ + Свет > Углеводы + Кислород

А вот такой вид имеет формула химической реакции фотосинтеза

6СО₂ + 6Н₂О = С6Н₁₂О₆ + 6О₂

Значение для растений

А теперь попробуем ответить на вопрос, для чего нужен фотосинтез растениям. В действительности обеспечение кислородом атмосферы нашей планеты, далеко не единственная причина протекания фотосинтеза, этот биологический процесс жизненно необходим не только людям и животным, но и самим растениям, ведь органические вещества, которые образуются в ходе фотосинтеза, составляют основу жизнедеятельности растений.

Как происходит

Главным двигателем фотосинтеза является хлорофилл – специальный пигмент, содержащийся в клетках растений, который помимо всего прочего отвечает за зеленую окрасу листьев деревьев и прочих растений. Хлорофилл представляет собой сложное органическое соединение, обладающее к тому же важным свойством – способностью к поглощению солнечного света. Поглощая его, именно хлорофилл приводит в действие ту маленькую биохимическую лабораторию, содержащуюся в каждом маленьком листочке, в каждой травине и каждой водоросли. Далее происходит химическая реакция фотосинтеза (формулу смотрите выше) в ходе которой и происходит преображение воды и углекислого газа в необходимые растениям углеводы и необходимый всему живому кислород. Механизмы фотосинтеза являются гениальным творением природы.

Фазы

Также процесс фотосинтеза состоит из двух стадий: светлой и темновой. И ниже мы детально напишем о каждой из них.

Световая фаза

Эта фаза осуществляется на мембранах тилакойдов. Что же такое эти тиалакойды? Тилакойды это структуры, находящиеся внутри хлоропластов и ограниченные мембраной.

Порядок процессов световой фазы фотосинтеза выглядит так:

• Свет попадает на молекулу хлорофилла, поглощается зеленым пигментом, чем приводит его в возбужденное состояние. Электрон, который входит в эту молекулу переходит на более высокий уровень и берет участие в процессе синтеза.
• Идет расщепление воды, во время которого протоны, под действием электронов преобразуются в атомы водорода, которые впоследствии расходуются на синтез углеводов.
• На последнем этапе световой фазы фотосинтеза происходит синтез АТФ (Аденозинтрифосфат). АТФ представляет собой органическое вещество, играющее роль своего рода аккумулятора энергии в биологических процессах.

Темновая фаза

Эта фаза фотосинтеза протекает в стромах хлоропластов. Именно в ее ходе происходит выделение кислорода, а также синтез глюкозы. Можно подумать исходя из названия, что темновая фаза фотосинтеза происходит исключительно в темное время суток. На самом деле это не так, синтез глюкозы происходит круглосуточно, просто на этом этапе энергия света больше не расходуется и попросту она не нужна.

Видео

И в завершение интересное образовательное видео про фотосинтез.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika19[email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.

Эта статья доступна на английском языке – Photosynthesis.

Фотосинтез, подготовка к ЕГЭ по биологии

Типы питания

По типу питания живые организмы делятся на автотрофы, гетеротрофы и миксотрофы. Автотрофы (греч. αὐτός — сам + τροφ — пища) — организмы, которые самостоятельно способны синтезировать органические вещества из неорганических. Гетеротрофы (греч. ἕτερος — иной + τροφή — пища) — организмы, использующие для питания готовые органические вещества.

Наконец, миксотрофы (греч. μῖξις — смешение + τροφή — пища) — организмы, которые могут использовать как гетеротрофный, так и автотрофный способ питания. К примеру, эвглена зеленая на свету начинает фотосинтезировать, а в темноте питается гетеротрофно.

Фотосинтез

Фотосинтез (греч. φῶς — свет и σύνθεσις — синтез) — сложный химический процесс преобразования энергии квантов света в энергию химических связей. В результате фотосинтеза происходит синтез органических веществ из неорганических.

Этот процесс уникален и происходит только в растительных клетках, а также у некоторых бактерий. Фотосинтез осуществляется при участии хлорофилла (греч. χλωρός — зелёный и φύλλον — лист) — зеленого пигмента, окрашивающего органы растений в зеленый цвет. Существуют и другие вспомогательные пигменты, которые вместе с хлорофиллом выполняют светособирающую или светозащитную функции.

Ниже вы увидите сравнение строения хлорофилла и гемоглобина. Обратите внимание, что в центре молекулы хлорофилла находится ион Mg.

В высшей степени гениально значение процесса фотосинтеза подчеркнул русский ученый К.А. Тимирязев: «Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа или, вернее, вне хлорофиллового зерна в природе не существует лаборатории, где бы выделялось органическое вещество. Во всех других органах и организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь из вещества неорганического»

Более подробно мы обсудим значение фотосинтеза в завершение этой статьи. Фотосинтез состоит из двух фаз: светозависимой (световой) и светонезависимой (темновой). Я рекомендую использовать названия светозависимая и светонезависимая, так как они способствуют более глубокому (и правильному!) пониманию фотосинтеза.

Светозависимая фаза (световая)

Эта фаза происходит только на свету на мембранах тилакоидов в хлоропластах. В ней принимают участие различные ферменты, белки-переносчики, молекулы АТФ-синтетазы и зеленый пигмент хлорофилл.

Хлорофилл выполняет две функции: поглощения и передачи энергии. При воздействии кванта света хлорофилл теряет электрон, переходя в возбужденное состояние. С помощью переносчиков электроны скапливаются с наружной поверхности мембраны тилакоидов, тем временем внутри тилакоида происходит фотолиз воды (разложение под действием света):

H₂O —> H⁺ + OH^—

Гидроксид-ионы отдают лишний электрон, превращаясь в реакционно способные радикалы OH, которые собираются вместе и образуют молекулу воды и свободный кислород (это побочный продукт, который в дальнейшем удаляется в ходе газообмена).

4OH —> 2H₂O + O₂↑

Образовавшиеся при фотолизе воды протоны (H⁺) скапливаются с внутренней стороны мембраны тилакоидов, а электроны — с внешней. В результате по обе стороны мембраны накапливаются противоположные заряды.

При достижении критической разницы, часть протонов проталкивается на внешнюю сторону мембраны через канал АТФ-синтетазы. В результате этого выделяется энергия, которая может быть использована для фосфорилирования молекул АДФ:

Протоны, попав на поверхность мембраны тилакоидов, соединяются с электронами и образуют атомарный водород, который используется для восстановления молекулы-переносчика НАДФ (никотинамиддинуклеотидфосфат). Благодаря этому окисленная форма — НАФД⁺ превращается в восстановленную — НАДФ∗H₂.

Предлагаю создать квинтэссенцию из полученных нами знаний. Итак, в результате светозависимой фазы фотосинтеза образуются:

• Свободный кислород O₂ — в результате фотолиза воды
• АТФ — универсальный источник энергии
• НАДФ∗H₂ — форма запасания атомов водорода

Кислород удаляется из клетки как побочный продукт фотосинтеза, он совершенно не нужен растению. АТФ и НАДФ∗H₂ в дальнейшем оказываются более полезны: они транспортируются в строму хлоропласта и принимают участие в светонезависимой фазе фотосинтеза.

Светонезависимая (темновая) фаза

Светонезависимая фаза происходит в строме (матриксе) хлоропласта постоянно: и днем, и ночью — вне зависимости от освещения.

При участии АТФ и НАДФ∗H₂ происходит восстановление CO₂ до глюкозы C₆H₁₂O₆. В светонезависимой фазе происходит цикл Кальвина, в ходе которого и образуется глюкоза. Для образования одной молекулы глюкозы требуется 6 молекул CO₂, 12 НАДФ∗H₂ и 18 АТФ.

Таким образом, в результате темновой (светонезависимой) фазы фотосинтеза образуется глюкоза, которая в дальнейшем может быть преобразована в крахмал, служащий для запасания питательных веществ у растений.

Значение фотосинтеза

Значение фотосинтеза невозможно переоценить. Уверенно утверждаю: именно благодаря этому процессу жизнь на Земле приобрела такие чудесные и изумительные формы, какие мы видим вокруг себя: удивительные растения, прекрасные цветы и самые разнообразные животные.

В разделе эволюции мы уже обсуждали, что изначально в составе атмосферы Земли не было кислорода: миллиарды лет назад его начали вырабатывать первые фотосинтезирующие бактерии — сине-зеленые водоросли (цианобактерии). Постепенно кислород накапливался, и со временем на Земле стало возможно аэробное (кислородное) дыхание. Возник озоновый слой, защищающий все живое на нашей планете от губительного ультрафиолета.

Говоря о роли фотосинтеза, выделим следующие функции, объединяющиеся в так называемую космическую роль растений. Итак, растения за счет фотосинтеза:

• Синтезируют органические вещества, являющиеся пищей для всего живого на планете
• Преобразуют энергию света в энергию химических связей, создают органическую массу
• Растения поддерживают определенный процент содержания O₂ в атмосфере, очищают ее от избытка CO₂
• Способствуют образованию защитного озонового экрана, поглощающего губительное для жизни ультрафиолетовое излучение

Хемосинтез (греч. chemeia – химия + synthesis — синтез)

Хемосинтез — автотрофный тип питания, который характерен для некоторых микроорганизмов, способных создавать органические вещества из неорганических. Это осуществляется за счет энергии, получаемой при окислении других неорганических соединений (железо- , азото-, серосодержащих веществ).

Хемосинтез был открыт русским микробиологом С.Н. Виноградским в 1888 году. Большинство хемосинтезирующих бактерий относится к аэробам, для жизни им необходим кислород.

При окислении неорганических веществ выделяется энергия, которую организмы запасают в виде энергии химических связей. Так нитрифицирующие бактерии последовательно окисляют аммиак до нитрита, а затем — нитрата. Нитраты могут быть усвоены растениями и служат удобрением.

Помимо нитрифицирующих бактерий, встречаются:

• Серобактерии — окисляют H₂S —> S ⁰ —> (S⁺⁴O₃)^2- —> (S⁺⁶O₄)^2-
• Железобактерии — окисляют Fe⁺² —>Fe⁺³
• Водородные бактерии — окисляют H₂ —> H⁺¹₂O
• Карбоксидобактерии — окисляют CO до CO₂

Значение хемосинтеза

Хемосинтезирующие бактерии являются неотъемлемым звеном круговорота в природе таких элементов как: азот, сера, железо.

Нитрифицирующие бактерии обеспечивают переработку (нейтрализацию) ядовитого вещества — аммиака. Они также обогащают почву нитратами, которые очень важны для нормального роста и развития растений.

Усвоение нитратов происходит за счет клубеньковых бактерий на корнях бобовых растений, однако важно помнить, что клубеньковые (азотфиксирующие) бактерии, в отличие от нитрифицирующих бактерий, питаются гетеротрофно.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

световая фаза, темновая фаза. Хемосинтез»

Тема: «Фотосинтез: световая фаза, темновая фаза. Хемосинтез»

Цели и задачи урока:

Образовательные: сформировать представления об особенностях процессов пластического обмена, световой и темновой фазах фотосинтеза, особенности хемосинтеза.

Воспитательные: формирование научного мировоззрения, осуществление экологического, санитарно — гигиенического воспитания, привитие интереса к естественным наукам.

Развивающие: развивать умения наблюдать, сравнивать, обобщать, делать выводы, предъявлять результаты своей деятельности.

Оборудование: таблица «Фазы фотосинтеза»

Тип урока: изучение нового материала.

Дата:_____________________

 

Ход урока:

1. Организационный момент:

— Приветствие класса.

2. Актуализация и мотивация опорных знаний:

— Кто такие автотрофы?

— Что такое фотосинтез?

— Где протекают процессы фотосинтеза?

— Что такое ассимиляция?

    III.      Изучение нового материала:

Пластический обмен – совокупность процессов синтеза. Основные процессы ассимиляции – синтез белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Так же процессы ассимиляции характерны для фотосинтеза и хемосинтеза

Фотосинтез:

Фотосинтез – образования органических веществ из неорганических благодаря превращению энергии солнца на энергию в химических связях синтезированных углеводов.

6СО₂ + 6Н₂О + Энергия света = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Фотосинтез происходит в хлоропластах, благодаря веществу хлорофиллу. Хлорофилл по своей структуре похож на гемоглобин, вместо Ферума у него Магний.

Фазы фотосинтеза:

1. Световая фаза – с обязательным участием солнечного света.
2. Темновая фаза – солнечный свет необязателен.

Световая фаза:

1. Поглощение хлорофиллом кванта (фотона) солнечного света          
2. Электроны Магния переходят на более высокий энергетический уровень
3. Передача энергии другим веществам для синтеза АТФ и восстановления НАДФ
4. Распад воды – фотолиз = электроны е ^— + протоны Н⁺ + кислород.
5. Восстановление НАДФ с помощью протонов Н⁺
6. Синтез АТФ из АДФ.

Световая фаза – совокупность процессов, которые обеспечивают синтез молекулярного кислорода, водорода и АТФ за счет солнечного света.

 

 

 

Темновая фаза:

Реакции протекают круглосуточно в матриксе хлоропластов, без участия солнечного света, в зависимости от потребности в углеводах. Основой темновой фазы является цикл реакций, под названием цикл Кальвина. В темновой фазе из углекислого газа, Водорода и энергии АТФ синтезируется глюкоза.

Темновая фаза – совокупность цикличных реакций, которые благодаря химической энергии АТФ обеспечивают образование глюкозы.

Роль фотосинтеза:

1. С автотрофов начинаются все цепи питания;
2. Влияние на состав газов атмосферы;
3. Оберегает от накапливания СО₂ и перегревания планеты.

 

Задание ст.87, заполнить сравнительную таблицу.

 

Хемосинтез – процесс синтеза органических веществ из неорганических благодаря энергии, которая освобождается в процессе окисления неорганических веществ. К хемотрофным организмам относятся: нитрифицирующие, метансинтезирующие, железобактерии, и т.д.

— Бактерии – хемосинтетики последовательно окисляют аммиак до солей нитратной кислоты, которые в дальнейшем используются растениями для полноценного питания.

— Железобактерии —  окисляют двухвалентное железо до трехвалентного.

— Бесцветные аэробные хемотрофные бактерии – окисляют вещества с Серой до сульфатной кислоты.

Роль хемосинтеза в природе:

1. Обеспечение круговорота веществ в природе
2. Синтезируют вещества там, куда не попадает солнечный свет.
3. Синтезируют природные ресурсы.

 

     IV.  Обобщение и систематизация знаний:

— Заполнить таблицу на стр. 91

    V.   Домашнее задание: §20-21

 

 

Фотосинтез.

Фотосинтез

Теория:

Фотосинтез — важнейший процесс, лежащий в основе возникновения и существования подавляющего большинства организмов на Земле.

Фотосинтез — это процесс образования органических соединений из диоксида углерода (CO2) и воды (h3O) с использованием энергии света.

 

 

Хлоропласты в клетках растений и складки цитоплазматической мембраны прокариот содержат зелёный пигмент — хлорофилл. Хлорофилл обладает особой химической структурой, которая позволяет ему улавливать кванты света. Молекула хлорофилла способна возбуждаться под действием солнечного света, отдавать свои электроны и перемещать их на более высокие энергетические уровни.

Пример:

этот процесс можно сравнить с подброшенным вверх мячом. Поднимаясь, мяч запасается потенциальной энергией; падая, он теряет её. Электроны не падают обратно, а подхватываются молекулами переносчика

электронов НАДФ+  (никотинамидадениндинуклеотидфосфата). При этом их энергия частично расходуется на образование АТФ.

Процесс фотосинтеза включает две последовательные фазы: световую и темновую.

Световая фаза

Световая фаза — это этап, на котором энергия света, поглощённая хлорофиллом, преобразуется в электрохимическую энергию в цепи переноса электронов. Она осуществляется на свету, в мембранах гран тилакоидов, при участии белковпереносчиков и АТФ-синтетазы.

Световая фаза фотосинтеза растений включает в себя нециклическое фосфорилирование и фотолиз воды. 

  

На фотосинтетических мембранах гран хлоропластов происходят следующие процессы:

•       возбуждение электронов хлорофилла квантами света и их переход на более высокий энергетический уровень;

•       восстановление акцепторов электронов — НАДФ+ до НАДФН2;           фотолиз воды, происходящий при участии квантов света:

          2h3O→4H++4e−+O2.

  

Результатами световых реакций являются:

•       фотолиз воды с образованием свободного кислорода;

•       синтез АТФ;

•       восстановление НАДФ+ до НАДФН.

 

Обрати внимание!

В реакциях световой фазы фотосинтеза накапливается энергия в НАДФН и АТФ, которая тратится в процессах темновой фазы.

Синтез АТФ из АДФ за счёт энергии света — очень эффективный процесс: за одно и то же время в хлоропластах образуется в 30 раз (!) больше АТФ, чем в митохондриях.

 

Во время световой фазы образуются богатые энергией молекулы и ионы водорода, необходимые для темновой фазы фотосинтеза. Дальнейшие процессы фотосинтеза могут идти и без солнечного освещения.

Темновая фаза

Реакции темновой фазы фотосинтеза протекают независимо от света.

Темновая фаза — процесс преобразования CO2 в глюкозу с использованием энергии, запасённой в молекулах АТФ и НАДФН.

Эти реакции осуществляются в строме хлоропластов, куда из тилакоидов поступают богатые энергией вещества: НАДФН и АТФ, накопленные в реакциях световой фазы фотосинтеза.

 

Источник углерода (CO2) растение получает из воздуха через устьица.

 

Превращение углекислого газа в глюкозу в ходе темновой фазы фотосинтеза получило название цикла Кальвина по имени его открывателя.

 

Результатом темновых реакций является превращение углекислого газа в глюкозу, а затем в крахмал.

 

Помимо молекул глюкозы в строме хлоропластов происходит образование аминокислот, нуклеотидов, спиртов.

 

 

 

Суммарные уравнения и частные реакции фотосинтеза представлены в таблице.

 

 

Значение фотосинтеза

1.  В процессе фотосинтеза образуется свободный кислород, который необходим для дыхания организмов.

 

2.  Фотосинтез обеспечивает постоянство уровня CO2 и O2 в атмосфере.

 

3.  Фотосинтез обеспечивает образование органических веществ, а следовательно, пищу для всех живых существ.

 

4.  В верхних слоях воздушной оболочки Земли из кислорода образуется озон O3, из которого формируется защитный озоновый экран, предохраняющий организмы от опасного для жизни воздействия ультрафиолетового излучения.

 

Обзор фотосинтеза – Биология 2e

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

• Объяснить значение фотосинтеза для других живых организмов
• Опишите основные структуры, участвующие в фотосинтезе
• Определите субстраты и продукты фотосинтеза

Фотосинтез необходим для всей жизни на Земле; от него зависят и растения, и животные.Это единственный биологический процесс, который может улавливать энергию солнечного света и преобразовывать ее в химические соединения (углеводы), которые каждый организм использует для обеспечения своего метаболизма. Он также является источником кислорода, необходимого для многих живых организмов. Короче говоря, энергия солнечного света «улавливается» для возбуждения электронов, энергия которых затем сохраняется в ковалентных связях молекул сахара. Насколько долговечны и стабильны эти ковалентные связи? Энергия, извлекаемая сегодня при сжигании угля и нефтепродуктов, представляет собой энергию солнечного света, захваченную и сохраненную в результате фотосинтеза 350–200 миллионов лет назад в каменноугольный период.

Растения, водоросли и группа бактерий, называемых цианобактериями, являются единственными организмами, способными к фотосинтезу ((Рисунок)). Поскольку они используют свет для производства собственной пищи, их называют фотоавтотрофами (буквально «самопитающимися, использующими свет»). Другие организмы, такие как животные, грибы и большинство других бактерий, называются гетеротрофами («другими кормушками»), потому что они должны полагаться на сахара, вырабатываемые фотосинтезирующими организмами для удовлетворения своих энергетических потребностей. Третья очень интересная группа бактерий синтезирует сахара, не используя энергию солнечного света, а извлекая энергию из неорганических химических соединений.По этой причине их называют хемоавтотрофами.

Фотоавтотрофы, включая (а) растения, (б) водоросли и (в) цианобактерии, синтезируют свои органические соединения посредством фотосинтеза, используя солнечный свет в качестве источника энергии. Цианобактерии и планктонные водоросли могут разрастаться в воде на огромных площадях, иногда полностью покрывая поверхность. В (г) глубоководном жерле хемоавтотрофы, такие как эти (д) термофильные бактерии, захватывают энергию неорганических соединений для производства органических соединений.В экосистеме, окружающей жерла, обитает множество разнообразных животных, таких как трубчатые черви, ракообразные и осьминоги, которые получают энергию от бактерий. (кредит a: модификация работы Стива Хиллебранда, Служба охраны рыбных ресурсов и дикой природы США; кредит b: модификация работы «эвтрофикация и гипоксия»/Flickr; кредит c: модификация работы НАСА; кредит d: Вашингтонский университет, NOAA; кредит e : модификация работы Марка Аменда, Центр подводных исследований западного побережья и полярных регионов, UAF, NOAA)

Важность фотосинтеза не только в том, что он может захватывать энергию солнечного света.В конце концов, ящерица, загорающая в холодный день, может использовать солнечную энергию, чтобы согреться в процессе, называемом поведенческой терморегуляцией . Напротив, фотосинтез жизненно важен, поскольку он развился как способ сохранения энергии солнечного излучения («фото-» часть) в энергию углерод-углеродных связей молекул углеводов («-синтез» часть). Эти углеводы являются источником энергии, который гетеротрофы используют для обеспечения синтеза АТФ посредством дыхания. Таким образом, фотосинтез питает 99 процентов экосистем Земли.Когда высший хищник, такой как волк, охотится на оленя ((Рисунок)), волк находится в конце энергетического пути, идущего от ядерных реакций на поверхности Солнца к видимому свету, фотосинтезу, растительности, оленю и, наконец, волку.

Энергия, накопленная в молекулах углеводов в результате фотосинтеза, проходит через пищевую цепь. Хищник, поедающий этих оленей, получает часть энергии, возникшей в результате фотосинтетической растительности, которую потребляли олени.(кредит: модификация работы Стива ВанРипера, Служба рыболовства и дикой природы США)

Основные структуры и краткое описание фотосинтеза

Фотосинтез — это многоэтапный процесс, для которого требуются определенные длины волн видимого солнечного света, двуокись углерода (с низким энергопотреблением) и вода в качестве субстрата ((Рисунок)). После того, как процесс завершен, он высвобождает кислород и производит глицеральдегид-3-фосфат (GA3P), а также простые молекулы углеводов (с высоким содержанием энергии), которые затем могут быть преобразованы в глюкозу, сахарозу или любую из десятков других молекул сахара.Эти молекулы сахара содержат энергию и активированный углерод, которые необходимы всем живым существам для выживания.

Фотосинтез использует солнечную энергию, углекислый газ и воду для производства энергоаккумулирующих углеводов. Кислород образуется как побочный продукт фотосинтеза.

Ниже приводится химическое уравнение фотосинтеза ((Рисунок)):

Основное уравнение фотосинтеза обманчиво просто. На самом деле процесс протекает в несколько стадий с участием промежуточных реагентов и продуктов.Глюкоза, основной источник энергии в клетках, состоит из двух трехуглеродных GA3P.

Хотя уравнение выглядит простым, многие этапы фотосинтеза на самом деле довольно сложны. Прежде чем изучать подробности того, как фотоавтотрофы превращают солнечный свет в пищу, важно ознакомиться с задействованными структурами.

Основные фотосинтетические структуры

У растений фотосинтез обычно происходит в листьях, состоящих из нескольких слоев клеток.Процесс фотосинтеза происходит в среднем слое, называемом мезофиллом. Газообмен углекислого газа и кислорода происходит через небольшие регулируемые отверстия, называемые устьицами (в единственном числе: устьица), которые также играют роль в регуляции газообмена и водного баланса. Устьица обычно расположены на нижней стороне листа, что помогает свести к минимуму потерю воды из-за высоких температур на верхней поверхности листа. Каждая устьица окружена замыкающими клетками, которые регулируют открытие и закрытие устьиц путем набухания или сокращения в ответ на осмотические изменения.

У всех автотрофных эукариот фотосинтез происходит внутри органеллы, называемой хлоропластом. У растений клетки, содержащие хлоропласты, существуют в основном в мезофилле. Хлоропласты имеют двойную мембранную оболочку (состоящую из внешней мембраны и внутренней мембраны) и произошли от древних свободноживущих цианобактерий. Внутри хлоропластов расположены стопкой дискообразные структуры, называемые тилакоидами. В мембрану тилакоидов встроен хлорофилл, пигмент (молекула, поглощающая свет), ответственный за начальное взаимодействие между светом и растительным материалом, и многочисленные белки, составляющие цепь переноса электронов.Мембрана тилакоидов окружает внутреннее пространство, называемое просветом тилакоидов. Как показано на (рис.), стопка тилакоидов называется гранумом, а заполненное жидкостью пространство, окружающее грануму, называется стромой или «ложем» (не путать со стомой или «ртом», отверстием на эпидермисе листа). ).

Визуальная связь

Фотосинтез происходит в хлоропластах, которые имеют внешнюю и внутреннюю мембраны. Стопки тилакоидов, называемых гранами, образуют третий слой мембраны.

В жаркий и засушливый день замыкающие клетки растений закрывают устьица для сохранения воды. Какое влияние это окажет на фотосинтез?

Уровень углекислого газа (необходимого субстрата для фотосинтеза) упадет. В результате скорость фотосинтеза снизится.–>

Две части фотосинтеза

Фотосинтез протекает в две последовательные стадии: светозависимые реакции и светонезависимые реакции.В светозависимых реакциях энергия солнечного света поглощается хлорофиллом, и эта энергия преобразуется в накопленную химическую энергию. В светонезависимых реакциях химическая энергия, собранная во время светозависимых реакций, приводит к сборке молекул сахара из углекислого газа. Следовательно, хотя светонезависимые реакции не используют свет в качестве реагента, для их функционирования требуются продукты светозависимых реакций. Однако, кроме того, светом активируются некоторые ферменты светонезависимых реакций.Светозависимые реакции используют определенные молекулы для временного хранения энергии: они называются носителями энергии . Энергоносители, которые перемещают энергию от светозависимых реакций к светонезависимым реакциям, можно считать «полноценными», поскольку они богаты энергией. После высвобождения энергии «пустые» энергоносители возвращаются в светозависимую реакцию, чтобы получить больше энергии. (Рисунок) иллюстрирует компоненты внутри хлоропласта, где происходят светозависимые и светонезависимые реакции.

Фотосинтез протекает в две стадии: светозависимые реакции и цикл Кальвина. Светозависимые реакции, протекающие в тилакоидной мембране, используют световую энергию для образования АТФ и НАДФН. Цикл Кальвина, происходящий в строме, использует энергию этих соединений для образования GA3P из CO ₂ .

Ссылка на обучение

Нажмите на ссылку, чтобы узнать больше о фотосинтезе.

Ежедневная связь

Фотосинтез в продуктовом магазине

Пищевые продукты, потребляемые людьми, образуются в результате фотосинтеза.(кредит: Associação Brasileira de Supermercados)

Крупные продуктовые магазины в Соединенных Штатах организованы в отделы, такие как молочный, мясной, продуктовый, хлебный, крупяной и так далее. Каждый отдел ((Рисунок)) содержит сотни, если не тысячи различных продуктов, которые покупатели могут покупать и потреблять.

Несмотря на большое разнообразие, каждый элемент в конечном итоге может быть связан с фотосинтезом. Мясное и молочное звено, потому что животных кормили растительной пищей.Хлеб, крупы и макаронные изделия производятся в основном из крахмалистых зерен, которые являются семенами растений, зависящих от фотосинтеза. А десерты и напитки? Все эти продукты содержат сахар — сахароза — это растительный продукт, дисахарид, молекула углевода, построенная непосредственно в результате фотосинтеза. Более того, многие предметы менее явно происходят из растений: например, бумажные товары, как правило, являются растительными продуктами, а многие пластмассы (в изобилии используемые в качестве продуктов и упаковки) происходят из «водорослей» (одноклеточных растительноподобных организмов и цианобактерий).Практически каждая специя и ароматизатор в отделе специй была произведена растением в виде листа, корня, коры, цветка, плода или стебля. В конечном счете, фотосинтез связан с каждым приемом пищи и каждой пищей, которую потребляет человек.

Резюме раздела

Процесс фотосинтеза изменил жизнь на Земле. Используя энергию солнца, эволюция фотосинтеза открыла живым существам доступ к огромному количеству энергии. Благодаря фотосинтезу живые существа получили доступ к достаточному количеству энергии, что позволило им строить новые структуры и достигать современного биоразнообразия.

Только некоторые организмы (фотоавтотрофы) могут осуществлять фотосинтез; они требуют присутствия хлорофилла, специального пигмента, который поглощает определенные длины волн видимого спектра и может улавливать энергию солнечного света. Фотосинтез использует углекислый газ и воду для сборки молекул углеводов и выделения кислорода в качестве побочного продукта в атмосферу. Эукариотические автотрофы, такие как растения и водоросли, имеют органеллы, называемые хлоропластами, в которых происходит фотосинтез и накапливается крахмал. У прокариот, таких как цианобактерии, процесс менее локализован и протекает в пределах складчатых мембран, отростков плазматической мембраны и в цитоплазме.

Вопросы по визуальной связи

(Рисунок) В жаркий сухой день замыкающие клетки растений закрывают устьица для сохранения воды. Какое влияние это окажет на фотосинтез?

(Рисунок) Уровень углекислого газа (необходимого субстрата для фотосинтеза) сразу же упадет. В результате скорость фотосинтеза будет тормозиться.

Контрольные вопросы

Какой из следующих компонентов , а не используется как растениями, так и цианобактериями для осуществления фотосинтеза?

1. хлоропласты
2. хлорофилл
3. двуокись углерода
4. вода

Какие два основных продукта образуются в результате фотосинтеза?

1. кислород и двуокись углерода
2. хлорофилл и кислород
3. сахара/углеводы и кислород
4. сахара/углеводы и диоксид углерода

В каком отделе растительной клетки протекают светонезависимые реакции фотосинтеза?

1. тилакоид
2. строма
3. наружная мембрана
4. мезофилл

Какое утверждение о тилакоидах у эукариот не является правильным?

1. Тилакоиды собраны в стопки.
2. Тилакоиды существуют в виде лабиринта складчатых мембран.
3. Пространство, окружающее тилакоиды, называется стромой.
4. Тилакоиды содержат хлорофилл.

Предскажите конечный результат, если в светонезависимых ферментах хлоропласта возникнет мутация, препятствующая их активации в ответ на свет.

1. Накопление GA3P
2. Накопление АТФ и НАДФН
3. Скопление воды
4. Истощение углекислого газа

В чем сходство молекул НАДФН и ГА3Ф, образующихся во время фотосинтеза?

1. Они оба являются конечными продуктами фотосинтеза.
2. Они оба являются субстратами для фотосинтеза.
3. Они оба производятся из углекислого газа.
4. Оба хранят энергию в химических связях.

Вопросы критического мышления

Каков общий результат световых реакций при фотосинтезе?

Результатом световых реакций при фотосинтезе является преобразование солнечной энергии в химическую энергию, которую хлоропласты могут использовать для выполнения работы (в основном анаболическое производство углеводов из углекислого газа).

Почему плотоядные животные, такие как львы, зависят от фотосинтеза, чтобы выжить?

Потому что львы едят животных, которые едят растения.

Почему энергоносители считаются либо «полными», либо «пустыми»?

Энергоносители, переходящие от светозависимой реакции к светонезависимой, «наполнены», потому что приносят энергию. После высвобождения энергии «пустые» энергоносители возвращаются в светозависимую реакцию, чтобы получить больше энергии.Там не так много фактического движения. И АТФ, и НАДФН продуцируются в строме, где они также используются и снова превращаются в АДФ, Pi и НАДФ ⁺ .

Опишите, как повлияет на популяцию серых волков извержение вулкана, выбрасывающее плотное облако пепла, блокирующее солнечный свет, в одном из районов Йеллоустонского национального парка.

Серые волки являются высшими хищниками в своей пищевой сети, что означает, что они потребляют более мелких животных и не являются добычей других животных. Блокирование солнечного света помешало бы растениям в нижней части пищевой сети осуществлять фотосинтез. Это убьет многие растения, сократив источники пищи, доступные для более мелких животных в Йеллоустоне. Меньшая популяция хищных животных означает, что в этом районе может выжить меньше волков, и популяция серых волков уменьшится.

Как закрытие устьиц ограничивает фотосинтез?

Устьица регулируют обмен газов и водяного пара между листом и окружающей средой.Когда устьица закрыты, молекулы воды не могут выйти из листа, но лист также не может получить новые молекулы углекислого газа из окружающей среды. Это ограничивает светонезависимые реакции, продолжающиеся только до тех пор, пока запасы углекислого газа в листе не будут исчерпаны.

Глоссарий

хемоавтотроф

организм, который может строить органические молекулы, используя энергию неорганических химических веществ вместо солнечного света

хлоропласт

органелла, в которой происходит фотосинтез

гранулы

стопка тилакоидов, расположенных внутри хлоропласта

гетеротроф

организм, потребляющий органические вещества или другие организмы в пищу

светозависимая реакция

первая стадия фотосинтеза, при которой определенные длины волн видимого света поглощаются с образованием двух молекул, несущих энергию (АТФ и НАДФН)

светонезависимая реакция

вторая стадия фотосинтеза, на которой углекислый газ используется для построения молекул углеводов с использованием энергии АТФ и НАДФН

мезофилл

средний слой богатых хлорофиллом клеток листа

фотоавтотроф

организм, способный производить свои собственные органические соединения под действием солнечного света

пигмент

молекула, способная поглощать свет с определенной длиной волны и отражать другую (отсюда ее цвет)

стома

отверстие, регулирующее газообмен и испарение воды между листьями и окружающей средой, обычно расположенное на нижней стороне листьев

строма

заполненное жидкостью пространство вокруг граны внутри хлоропласта, где происходят светонезависимые реакции фотосинтеза

тилакоид

дискообразная мембраносвязанная структура внутри хлоропласта, где происходят светозависимые реакции фотосинтеза; стопки тилакоидов называются гранами

просвет тилакоидов

водное пространство, ограниченное тилакоидной мембраной, где аккумулируются протоны во время переноса электронов под действием света

Фотосинтез — обзор | ScienceDirect Topics

Сбор света

Сбор света

Первым этапом фотосинтеза является поглощение света пигментами. Помимо различных типов хлорофилла, эти пигменты включают каротиноиды и тетрапирролбилиновые пигменты с открытой цепью, обнаруженные, например, у цианобактерий. Хлорофилл представляет собой пигмент на основе тетрапиррольного кольца, очень похожий на гемоглобин, за исключением того, что он содержит магний, а не железо. Кольцо связано с длинной боковой цепью. Хлорофилл поглощает синий и красный свет, а пропускает зеленый и поэтому кажется зеленым. В растениях два типа хлорофилла, a и b , увеличивают диапазон поглощаемых длин волн.Энергия света, поглощаемая молекулами хлорофилла, может либо теряться в виде тепла или флуоресценции, либо может передаваться между соседними молекулами хлорофилла путем резонансного переноса. Хлорофилл и каротиноиды связываются с белками в светособирающих комплексах. Светособирающие комплексы были кристаллизованы как из бактерий, так и из растений. Светособирающий комплекс действует как антенна, похожая на спутниковую антенну, подавая фотоны в реакционные центры, содержащие димерную форму хлорофилла, где происходит разделение зарядов. Концепция антенны возникла в результате открытия в 1932 году Эмерсоном и Арнольдом того факта, что только одна молекула CO ₂ образуется из примерно 2500 молекул хлорофилла после короткой вспышки света.

На более высоком уровне организации лист и его клетки также приспособлены для эффективного сбора света. В тени фотосинтетический аппарат рассредоточен в больших тонких листьях, чтобы увеличить площадь захвата света и обеспечить адекватное проникновение света, а на каждую антенну приходится больше светособирающего хлорофилла.Внутри листа эпидермальные клетки могут фокусировать свет, удлиненные палисадные клетки действуют как световоды, в то время как клетки мезофилла отражают свет, действуя как зеркальный зал и увеличивая расстояние, которое проходят фотоны, тем самым увеличивая вероятность того, что они будут перехвачены. антенный комплекс.

Захват энергии

Реакционные центры представляют собой мультисубъединичные белковые комплексы, расположенные в фотосинтетической мембране. Эти комплексы содержат хлорофиллы реакционного центра, а также другие компоненты, участвующие в переносе электронов.Реакционный центр является ядром процесса фотосинтеза, преобразуя энергию солнечного света в пригодную для использования химическую форму. Реакционные центры осуществляют управляемые светом реакции переноса электронов, которые приводят к разделению зарядов на фотосинтетической мембране. Быстрый перенос электронов на вторичные акцепторы необходим для предотвращения рекомбинации этих разделенных зарядов. Существует два класса реакционных центров с разными концевыми акцепторами электронов: кластеры Fe ₄ S ₄ (тип 1) и центры с феофитином/хинонами (тип 2).У растений, зеленых водорослей и цианобактерий присутствуют оба реакционных центра (соответственно в фотосистемах 1 и 2), тогда как фотосинтезирующие бактерии имеют только один тип реакционного центра (например, тип 1 у зеленых серобактерий и тип 2 у пурпурных бактерий). . У растений фотосистема 2 содержит димер хлорофилла, который в возбужденном состоянии (Р680*) является чрезвычайно сильным восстановителем. Акцепторная молекула, хинон Q, восстанавливается, оставляя положительно заряженный димер хлорофилла (P680 ⁺ ).Это чрезвычайно сильный окислитель, настолько сильный, что может извлекать электроны из воды.

Окисление воды

Окисление воды является уникальным свойством фотосистемы 2. Вода является донором электронов для фотосинтетического транспорта электронов. Каждый фотон, поглощенный P680, позволяет ему извлечь один электрон из фермента, содержащего марганец, в комплексе, выделяющем кислород. После извлечения четырех электронов этот комплекс может, в свою очередь, окислять воду, высвобождая O ₂ в атмосферу, а также высвобождая 4H ⁺ в просвет тилакоидов.Фотосинтезирующие бактерии используют в качестве доноров электронов другие источники, такие как H ₂ S или органические соединения.

Рассеяние энергии и активные формы кислорода

Хотя свет необходим для фотосинтеза, слишком много света может быть вредным. Генерация высокореакционноспособных промежуточных продуктов оксигенного фотосинтеза может привести к образованию активных форм кислорода. Чтобы защитить фотосинтетический аппарат от окислительного повреждения, фотосинтетические системы обладают антиоксидантными системами, которые удаляют активные формы кислорода, а также механизмами, которые регулируют фотосинтез, чтобы свести к минимуму их производство.Эти механизмы особенно важны при сильном освещении, когда поглощение световой энергии превышает способность растения к фиксации СО ₂ (например, когда поглощение СО ₂ ограничивается закрытием устьиц, вызванным водным стрессом). Например, каротиноиды не только действуют как вспомогательные пигменты антенны, но и выполняют фотозащитную функцию. При избытке световой энергии каротиноиды могут гасить возбужденное триплетное состояние хлорофилла до того, как он прореагирует с кислородом, образуя кислород в деструктивном синглетном состоянии.Каротиноиды также могут регулировать поток энергии в антенне, рассеивая возбуждение хлорофиллов в виде тепла (нефотохимическое тушение флуоресценции хлорофилла). Рассеивание энергии связано с накоплением каротиноида зеаксантина, который взаимопревращается с другим каротиноидом, виолаксантином, в цикле ксантофилла. Физические изменения, такие как движения хлоропластов внутри клеток и гелиотропные движения листьев, также могут уменьшать или усиливать поглощение света, а фотодыхание может рассеивать избыточную энергию фотосинтеза.

Фотосинтез — фотолиз и фиксация углерода

Процесс фотосинтеза

Фотосинтез — это средство, с помощью которого первичные производители (в основном растения) могут получать энергию с помощью энергии света. Энергия, полученная ОТ света, может быть использована в различных процессах, упомянутых ниже, для создания энергии, необходимой растению для выживания и роста.

Фотосинтез – это процесс восстановления, при котором водород восстанавливается коферментом. В отличие от дыхания, при котором глюкоза окисляется.

Процесс разделен НА две РАЗЛИЧНЫЕ области: фотолиз  (фотохимическая стадия) и цикл Кальвина (термохимическая стадия). На приведенной ниже диаграмме дается краткое описание реакции, в которой энергия света используется для инициирования реакции в ее присутствии;

CO ₂  + H ₂ O > глюкоза + кислород

Фотолиз

тип фотосинтетического пигмента, который преобразует свет в химическую энергию.Он вступает в реакцию с водой (H ² O) и расщепляет молекулы кислорода и водорода.

При этом разделении воды кислород высвобождается как побочный продукт, в то время как восстановленный акцептор водорода направляется на вторую стадию фотосинтеза, цикл Кальвина.

В целом, поскольку вода окисляется (водород удаляется) и при фотолизе выделяется энергия, необходимая для цикла Кальвина стромы хлоропластов.Углерод, полученный ОТ вдыхания углекислого газа, входит в этот цикл, который показан ниже:

Так же, как Цикл Кребса  в дыхании, субстрат превращается в различные углеродные соединения для производства энергии. В случае фотосинтеза происходят следующие стадии, которые создают глюкозу для дыхания ИЗ углекислого газа, вводимого В цикл;

• Углерод ИЗ CO ₂  вступает в цикл, объединяясь с рибулозо-бифосфатом (RuBP)
• Образующееся соединение нестабильно и распадается ИЗ своей 6-углеродной природы на 3-углеродное соединение, называемое глицератфосфатом (ГФ)
• Используется энергия для расщепления GP В триозофосфат, в то время как акцептор водорода восстанавливает соединение, поэтому требует энергии
• Триозофосфат является конечным продуктом этого, 3-углеродного соединения, которое может удваиваться с образованием глюкозы, которая может использоваться в дыхании.
• Цикл завершается, когда оставшиеся молекулы GP встречаются с акцептором углерода и затем превращаются в RuBP, который должен соединиться с молекулами углекислого газа, чтобы снова начать процесс.

Энергия, израсходованная в цикле Кальвина, — это энергия, доступная во время фотолиза. Глюкоза, полученная с помощью GP, может использоваться для дыхания или в качестве строительного блока для формирования крахмала и целлюлозы , материалов, которые обычно востребованы растениями.

Ограничивающие факторы фотосинтеза

Некоторые факторы влияют на скорость фотосинтеза в растениях, а именно:

• Температура  влияет на скорость фотосинтеза. Ферменты, участвующие в процессе фотосинтеза, напрямую зависят от температуры организма и окружающей среды
• Интенсивность света также является ограничивающим фактором , если нет солнечного света, то фотолиз воды не может происходить без необходимой световой энергии.
• Концентрация двуокиси углерода также играет важную роль из-за запасов двуокиси углерода, необходимых на стадии цикла Кальвина.

Таким образом растение производит энергию, которая является богатым источником глюкозы для дыхания и строительными блоками для более сложных материалов. В то время как животные получают свою энергию ИЗ пищи, растения получают свою энергию ОТ солнца.

Следующее руководство исследует структуру и репликацию ДНК…

 

 

Узнайте, как светозависимые и светонезависимые циклы работают вместе, чтобы создать глюкозу для растений. Кредит: сестры амебы Следующий

Фотосинтез | Биониндзя

Понимание:

• Светозависимые реакции протекают в межмембранном пространстве тилакоидов

• Светонезависимые реакции протекают в строме

    
Фотосинтез – это процесс, посредством которого клетки синтезируют органические молекулы (например,г. глюкоза) из неорганических молекул (CO ₂ и H ₂ O) в присутствии солнечного света

Этот процесс требует фотосинтетического пигмента (хлорофилла) и может происходить только в определенных организмах (растениях, некоторых бактериях)

• В растениях фотосинтез происходит внутри специализированной органеллы, называемой хлоропласт

Уравнение фотосинтеза

Фотосинтез представляет собой двухстадийный процесс:

• Светозависимые реакции превращают световую энергию Солнца в химическую энергию (АТФ)
• Светонезависимые реакции используют химическую энергию для синтеза органических соединений (например,г. углеводы)

Этап 1: Светозависимые реакции

• Свет поглощается хлорофиллом, который высвобождает возбужденные электроны, которые используются для производства АТФ (химической энергии)
• Электроны отдаются молекулам-носителям 902 (0NADP) + ), который используется (наряду с АТФ) в светонезависимых реакциях
• Электроны, потерянные из хлорофилла, замещаются водой, которая расщепляется (фотолиз) с образованием кислорода и водорода
• Светозависимые реакции протекают в межмембранное пространство мембранных дисков, называемых тилакоидами

Этап 2:    Светонезависимые реакции

• АТФ и водород/электроны (переносимые НАДФН) переносятся на участок 90 легких реакций 90 легких08 электроны соединяются с углекислым газом, образуя сложные органические соединения (т.г. углеводы)
• АТФ обеспечивает необходимую энергию для запуска этих анаболических реакций и связывания молекул углерода вместе Две стадии фотосинтеза

  Что такое фотосинтез | Смитсоновский научно-образовательный центр

  Когда вы проголодались, вы берете перекус из холодильника или кладовой. Но что могут сделать растения, когда они проголодаются? Вы, наверное, знаете, что растениям для роста нужны солнечный свет, вода и дом (например, почва), но где они берут пищу? Они делают это сами!

  Растения называются автотрофами, потому что они могут использовать энергию света для синтеза или создания собственного источника пищи. Многие люди считают , что они «кормят» растение, когда помещают его в почву, поливают или выставляют на солнце, но ни одно из этих действий не считается едой. Скорее, растения используют солнечный свет, воду и газы в воздухе для производства глюкозы, которая является формой сахара, необходимой растениям для выживания.Этот процесс называется фотосинтезом и выполняется всеми растениями, водорослями и даже некоторыми микроорганизмами. Для осуществления фотосинтеза растениям нужны три вещи: углекислый газ, вода и солнечный свет.

  Поглощая воду (h3O) через корни, углекислый газ (CO2) из ​​воздуха и световую энергию Солнца, растения могут осуществлять фотосинтез для производства глюкозы (сахара) и кислорода (O2). ПРЕДОСТАВЛЕНИЕ: mapichai/Shutterstock.com

   

  Как и вам, растениям для жизни нужны газы.Животные поглощают газы посредством процесса, называемого дыханием. В процессе дыхания животные вдыхают все газы в атмосфере, но единственный газ, который задерживается и не выдыхается сразу, – это кислород. Однако растения поглощают и используют углекислый газ
  для фотосинтеза. Углекислый газ проникает через крошечные отверстия в листьях, цветах, ветвях, стеблях и корнях растений. Растениям также требуется вода для приготовления пищи. В зависимости от окружающей среды доступ растения к воде будет разным.Например, пустынные растения, такие как кактус, имеют меньше доступной воды, чем кувшинка в пруду, но у каждого фотосинтезирующего организма есть какое-то приспособление или особая структура, предназначенная для сбора воды. У большинства растений за поглощение воды отвечают корни.

  Последнее требование для фотосинтеза является важным, поскольку оно обеспечивает энергию для производства сахара. Как растение поглощает углекислый газ и молекулы воды и производит молекулу пищи? Солнце! Энергия света вызывает химическую реакцию, которая расщепляет молекулы углекислого газа и воды и реорганизует их с образованием сахара (глюкозы) и газообразного кислорода.После того, как сахар произведен, он расщепляется митохондриями на энергию, которая может быть использована для роста и восстановления. Произведенный кислород высвобождается из тех же крошечных отверстий, через которые проник углекислый газ. Даже выделяющийся кислород служит другой цели. Другие организмы, такие как животные, используют кислород для своего выживания.

  Если бы мы написали формулу фотосинтеза, она выглядела бы так:

  6CO ₂ + 6H ₂ O + Энергия света → C ₆ H ₁₂ O ₆ (сахар) + 6O ₂ 

  Весь процесс фотосинтеза представляет собой передачу энергии от Солнца к растению.В каждой созданной молекуле сахара содержится немного солнечной энергии, которую растение может либо использовать, либо сохранить на потом.

  Представьте себе горох. Если это растение гороха формирует новые стручки, для его роста требуется большое количество энергии сахара. Это похоже на то, как вы едите пищу, чтобы стать выше и сильнее. Но вместо того, чтобы идти в магазин и покупать продукты, растение гороха будет использовать солнечный свет для получения энергии для производства сахара. Когда стручки гороха
  полностью вырастут, растению может уже не понадобиться столько сахара, и оно будет хранить его в своих клетках.Появляется голодный кролик и решает съесть часть растения, которое дает энергию, позволяющую кролику вернуться домой. Откуда взялась энергия кролика? Рассмотрим процесс фотосинтеза. С помощью углекислого газа и воды стручок гороха использовал энергию солнечного света для создания молекул сахара. Когда кролик съел стручок гороха, он косвенно получил энергию от солнечного света, которая запасалась в молекулах сахара в растении.

  Спасибо фотосинтезу за хлеб! Зерна пшеницы, подобные изображенным на фото, выращивают на огромных полях. Когда их собирают, они перемалываются в порошок, который мы можем распознать как муку. ПРЕДОСТАВЛЕНИЕ: Елена Швейцер/Shutterstock.com  

   

  Люди, другие животные, грибы и некоторые микроорганизмы не могут производить пищу в собственном теле, как автотрофы, но они по-прежнему полагаются на фотосинтез. Передавая энергию от Солнца растениям, растения создают сахара, которые люди потребляют для своей повседневной деятельности. Даже когда мы едим курицу или рыбу, мы передаем энергию Солнца в наши тела, потому что в какой-то момент один организм поглотил фотосинтезирующий организм (т.г., рыба питалась водорослями). Так что в следующий раз, когда вы перекусите, чтобы пополнить свою энергию, поблагодарите за это Солнце!

   

  Это выдержка из модуля «Структура и функции » нашей линейки учебных программ «Концепции науки и техники ^TM » (STC). Посетите нашего издателя, Carolina Biological, чтобы узнать больше.

   

  [БОНУС ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ] Посмотрите фильм «Фотосинтез: ослепленные светом», чтобы изучить неправильные представления учащихся о материи и энергии в фотосинтезе и стратегии для выявления идей учащихся для их решения или развития на их основе.

  Где происходит фотосинтез?

  Фотосинтез — это световой ключ к разблокированию роста и качества растений.

  Этот процесс, посредством которого все растения преобразуют энергию света в химическую энергию, которая затем используется для управления различными метаболическими процессами, имеет решающее значение для успеха урожая, и без надлежащего уровня света растения могут желтеть, поникать, сбрасывать листья или не расти. правильно.

  Для производителей крайне важно обеспечить идеальное управление освещением, чтобы избежать проблем, которые может вызвать плохой фотосинтез. Это делает относительно важным понимание того, где происходит фотосинтез, чтобы вы могли инвестировать в правильные источники света и обеспечить их правильное размещение.

  Фотосинтез: основы

  Основными клеточными структурами, обеспечивающими фотосинтез, являются хлоропласты, тилакоиды и хлорофилл. Фотосинтез происходит внутри хлоропластов, расположенных в мезофилле листьев. Тилакоиды находятся внутри хлоропласта и содержат хлорофилл, который поглощает различные цвета светового спектра для создания энергии (Источник: Биология: LibreTexts ).Теперь все становится интереснее — влияние различных длин волн света на фотосинтез.

  Фотосинтез в цифрах .

  Поверхность листа поглощает синие и красные волны, в то время как зеленый свет поглощается глубже внутри растения. Этот свет поглощается хлоропластами и наиболее эффективен в фотосинтезе и преобразовании энергии. Все видимые длины волн в той или иной степени поглощаются листом, но наиболее важными для фотосинтеза являются красный, синий и зеленый цвета. Спектр света, используемый растениями, известен как Фотосинтетическое активное излучение (ФАР), который определяет спектр света, а также уровни солнечного излучения в диапазоне от 400 до 700 нм.

  Фотосинтез: изнутри

  Фотосинтез в основном происходит в листьях, в меньшей степени в стеблях, и имеет как независимый, так и зависимый от света процесс. Светозависимый процесс берет свет, который был поглощен тилакоидами, и превращает его в химическую энергию, которая затем используется для превращения CO2, поглощенного листьями, в углеводы, которые образуют независимую от света часть процесса.Весь цикл, известный как цикл Кальвина , создает побочные продукты глюкозы и кислорода, первый из которых используется растением, а второй выбрасывается в атмосферу.

   

  Чтобы обеспечить оптимизацию фотосинтеза, производители должны инвестировать в лампы, которые излучают правильные уровни PAR-излучения с нужной интенсивностью, а это означает, что они должны работать с лампами для выращивания, которые предназначены для получения правильного цветового спектра и которые правильно расположены. .Важно отметить, что растения могут быть повреждены, если интенсивность света слишком высока — фотосинтез происходит на заданном уровне, после определенного момента он выравнивается или уменьшается, что означает, что дополнительное освещение не обязательно ускорит процесс и может негативно повлиять на здоровье растений.

  Помимо учета интенсивности и качества света, вам необходимо сбалансировать время освещения, чтобы растение получало смесь «дневного» и «ночного» света, а также температуру в помещении для выращивания.Растениям необходимо пройти процесс фотопериодизма, чтобы зацвести или достичь определенных стадий цикла роста, и они не могут расти в слишком жарких или слишком холодных условиях.

  Стоит работать с компанией, которая понимает полное влияние освещения для выращивания на ваши растения и может помочь вам внедрить схему и дизайн освещения для выращивания, учитывающие все эти факторы. Light Science Technologies обладает глубоким пониманием технологии, науки и того, как помочь вам в достижении правильного света, тепла и расстояния, чтобы ваши растения могли фотосинтезировать и расти.

  Что является местом фотосинтеза?

  Растения, также известные как автотрофы, являются важным элементом пищевых сетей. Фотосинтез позволяет автотрофам производить пищу, которая затем используется для поддержания жизни других организмов в пищевых сетях. Множество пищевых сетей, которые мы видим во всем мире, основаны на обилии автотрофов. Соотношение кислорода и углекислого газа в окружающей среде зависит от того, насколько автотрофы справляются со всем углекислым газом, который мы обеспечиваем. Неспособность поддерживать и пополнять запасы кислорода приводит к ужасающим возможностям для каждого животного, зависящего от внешних источников пополнения запасов кислорода.Но тогда как автотрофы выделяют кислород и сокращают углекислый газ? Ну, через процесс фотосинтеза.

  Что такое фотосинтез, спросите вы? Фотосинтез — это процесс, при котором растения используют углекислый газ, воду и энергию солнца для производства пищи в виде сахаров (рис. 1). Растения, в свою очередь, производят кислород как побочный продукт фотосинтетических процессов, который выбрасывается в окружающую среду. Итак, где же происходит фотосинтез, спросите вы? Фотосинтез происходит внутри органелл, называемых хлоропластами, которых много на листе растения, что придает ему характерный зеленый пигмент.Конечно, лист — не единственная фотосинтезирующая часть растения; это просто то место, где это происходит большую часть времени. Здесь мы рассмотрим уравнение фотосинтеза, цикл фотосинтеза, схему фотосинтеза и точные места, где происходят различные части фотосинтеза.

  Рис. 1. Схема фотосинтеза у растений.
  Источник изображения: Wikimedia Commons

  Прежде чем мы подробно рассмотрим эту тему, взглянем на уравнение фотосинтеза:

  6CO

  ₂ + 6H ₂ O _→ C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂

  Это уравнение делает возможной всю жизнь.Звучит как большое давление только на одно уравнение, не так ли? Не волнуйтесь; это может справиться с этим. Ниже мы рассмотрим объяснение того, как это возможно. Более конкретно, мы рассмотрим, что такое хлоропласт и каковы его различные части. После этого мы пройдем световую фазу, темную фазу и детали каждой из них, включая циклическое фотофосфорилирование, хемиосмос и нециклическое фотофосфорилирование.

  Теперь поговорим о хлоропластах (рис. 2) — центре фотосинтеза (рис. 1).Хлоропласт — это органелла, которая, как считается, была приобретена растениями в процессе эндосимбиоза, потому что, как и митохондрии, эта органелла имеет свою собственную ДНК, гены и, следовательно, может производить свой белок. По существу, хлоропласт представляет собой независимую полнофункциональную органеллу. Хотя все зеленые части растения могут осуществлять фотосинтез, в основном он происходит в листьях из-за большого количества хлоропластов. Хлоропласт содержит строму, жидкость и стопку тилакоидов, называемых гранами.Хлоропласт содержит три основных пигмента, поглощающих энергию света: хлорофилл а, хлорофилл b и каротиноиды. Хлорофилла больше всего в тилакоидах.

  Рис. 2. Структура типичного хлоропласта высших растений.
  Источник изображения: Wikimedia Commons

  Фотосинтез принципиально состоит из двух фаз: светозависимой и светонезависимой реакции. По сути, это означает, что первое происходит днем, когда есть постоянный источник света, а второе — ночью, когда света нет.Эти две фазы происходят в разных частях хлоропласта. У прокариот световая реакция происходит во внутренней (плазматической) мембране в инвагинациях, называемых хроматофорами. У эукариот это происходит в тилакоидной мембране хлоропласта. У эукариот темновая реакция происходит в строме хлоропласта.

  Светозависимая реакция

  Рисунок 3. Подробный отчет о светозависимой реакции. Источник изображения: Wikimedia Commons

  Светозависимая реакция (световая реакция) происходит в тилакоидах хлоропластов.Здесь хлорофилл улавливает энергию света (рис. 3). Попав в ловушку, этот свет возбуждает и выбрасывает электрон (e-) в электрон-транспортную цепь. Эта цепь представляет собой серию белков в тилакоидной мембране. На каждом шагу, который проходит электрон, энергия теряется. Эта «потерянная энергия» идет на перезарядку АДФ для производства АТФ. Во время цепи переноса электронов также вырабатывается НАДФН, который затем накапливает энергию до тех пор, пока не сможет быть передан в строму. Этот НАДФН играет важную роль в светонезависимой реакции (будет обсуждаться позже).

  Светозависимая реакция преобразует энергию света в химическую энергию с АТФ в качестве побочного продукта, который затем будет использоваться в качестве источника энергии для светонезависимой реакции. Во время этого процесса молекулы воды расщепляются с образованием кислорода и 4 атомов водорода. Фотолиз — это процесс, при котором происходит замена потерянных электронов и расщепление воды. Вы немного запутались? Взгляните на рисунок 4; это должно хорошо связать вещи для вас.

  2 H

  ₂ O _→  O ₂ + 4 [H·] Рис. 4.Схема «Z». Источник изображения: Wikimedia Commons.

  Светонезависимая реакция

  Рисунок 5. Обзор цикла Кальвина и фиксации углерода. Источник изображения: Wikimedia Commons

  Побочный продукт реакции света, АТФ, приводит в действие независимую от света реакцию образования простых сахаров. Эту реакцию также называют циклом Кальвина, названным так в честь Мелвина Кальвина, открывшего эту систему вместе с Джеймсом Бэсшемом и Эндрю Бенсоном. Ее также называют темновой реакцией, потому что она может происходить в отсутствие световой энергии. НАДФН и АТФ, полученные в результате реакции света, обеспечивают синтез if CH ₂ O из CO ₂ и H+ (побочный продукт реакции света). Так что на самом деле дело не в том, что оно не зависит от света, потому что ингредиенты (НАДФН, АТФ и Н+) не были бы доступны для реакции в темноте без реакции на свет. Так что, скорее, следует сказать, что оно косвенно зависит от света.

  4 [H·] + CO

  _2→ (CH ₂ O) + H ₂ O

  Давайте поговорим подробнее о цикле Кальвина.Еще раз помните, что эта реакция не требует энергии света для протекания. Это происходит в строме хлоропластов, для запуска реакции требуется углекислый газ и АТФ и НАДФН. Когда все эти ингредиенты доступны, побочным продуктом этой реакции является сахар-глюкоза. НАДФН обеспечивает электроны, необходимые для восстановления углекислого газа до глюкозы.

  В первой фазе; три молекулы углекислого газа входят в цикл Кальвина. Катализируемый Rubisco, здесь он реагирует с рибулозо-1,5-бисфосфатом (RuBP) с образованием двух копий 3-фосфоглицерата.Фосфоглицерат фосфорилируется шестью АТФ, образующимися в световой реакции, и образуется 1,3-бисфосфат. Этот побочный продукт затем превращается в глицеральдегид-3-фосфат (G3P), во время этой реакции шесть НАДФН теряют свои протоны водорода и высвобождаются шесть молекул фосфатов (P _i ). После этого цикл переходит во вторую фазу — фазу восстановления. Один G3P выходит из цикла и используется для производства глюкозы и других органических соединений. Один G3P используется для регенерации акцептора CO ₂ RuBP при подготовке следующего ввода CO ₂ .

  Хорошо, теперь вы должны быть готовы проследить процесс фотофосфорилирования (фото=свет; фосфорилирование=присоединение фосфата). Как следует из названия, это процесс выработки АТФ.

  Предыстория АДФ → АТФ, НАДФН и НАДФ+

  Помните: в световых реакциях цепи переноса электронов генерировали АТФ, НАДФН и О ₂ . Во что мы не вникали, так это в мельчайшие детали того, как именно работает электрон-транспортная цепь. В мембранах тилакоидов хлоропласта расположены две фотосистемы.Фотосистемы представляют собой функциональные белковые единицы, отвечающие за первичную фотохимию фотосинтеза; поглощая свет и передавая электроны и энергию. Их можно идентифицировать по длине волны, на которой они наиболее активны. Фотосистема I (PSI) и фотосистема II (PSII) проявляют оптимальную активность при 700 и 680 нм соответственно.

  Циклическое фотофосфорилирование происходит в тилакоидной мембране. Электрон начинает свой путь в PSI и проходит через два белка и ферментный комплекс, прежде чем вернуться к хлорофиллу.Ну и в чем же тогда смысл, спросите вы? Целью этого цикла является создание градиента концентрации ионов Н+ для питания АТФ-синтазы во время хемиосмоса (обсуждается далее). Во время этого процесса кислород и НАДФН вообще не образуются, в отличие от нециклического аналога. На основе этого абзаца сформулируйте краткое определение циклического фотофосфорилирования в качестве упражнения, чтобы убедиться, что вы понимаете, о чем идет речь.

  В световой реакции хемиосмос обеспечивает синтез АТФ. Хемиосмос, названный так из-за его тесной связи с осмосом, представляет собой процесс, при котором ионы в большей степени снижают свой электрохимический градиент через избирательно проницаемую мембрану (в данном случае тилакоидную мембрану).В результате АТФ образуется в результате электрохимического градиента протонов, когда Н+ проходит через тилакоидную мембрану во время фотосинтеза. АТФ-синтаза обеспечивает реакцию синтеза АТФ. В строме хлоропласта ионы Н+ реагируют с НАДФ+ с образованием НАДФН.

  Во время нециклического фотофосфорилирования ФСII возвращает электроны за счет расщепления воды и высвобождения кислорода в качестве побочного продукта. Нециклическое фотофосфорилирование имеет две основные стадии, включающие как ФС1, так и ФСII.Нециклическое фотофосфорилирование происходит во время световой реакции в пластинках стромы. Вода распадается с образованием 2H+ + 1/2 O ₂ + 2e−. Эти два электрона остаются в ФС II, а 2H+ и 1/2O ₂ ждет другая судьба. Через пигменты хлорофилла, близкие к реакционному ядру, поглощается фотон.

  Электроны от пигментов возбуждаются при подготовке к цепи переноса электронов. В конце своего путешествия по этой цепочке электроны оказываются в ядре ФСII.Электроны передаются через серию реакций, пока не перейдут к пластоцианину, где они обеспечивают перенос ионов водорода (H+) в пространство тилакоидов. Возникающий градиент позволяет ионам H+ течь обратно в строму хлоропласта, где они служат источником энергии для регенерации АТФ.

  Фотосистема II восполняет потерянные электроны из внешнего источника, но оставшиеся электроны все еще не возвращаются к ФСII, как это происходит в циклическом пути.Вместо этого эти электроны передаются комплексу PSI, который вместе со вторым солнечным фотоном увеличивает уровни энергии. Затем высоковозбужденные электроны вступают в следующую реакцию:

  НАДФ+ + 2H+ + 2e- → НАДФН + H+

  Когда запас АТФ в хлоропластах иссякает и реакции цикла Кальвина не могут поддерживаться, НАДФН накапливается, и циклическое фосфорилирование может быть предпочтительным.

  Заключение

  Фотосинтез не полностью зависит от света, происходит в разных частях хлоропластов и завершает цикл фотосинтеза, перерабатывая собственные продукты для обеспечения своих процессов.Однако он энергозатратен и дорог, поскольку для образования сахаров требуется много АТФ (только в цикле Кальвина девять АТФ используются для 3CO ₂ ). Способность распределять роли, перерабатывать свои продукты и продолжать работу в условиях отсутствия света — вот что гарантирует, что фотосинтетическое уравнение и реакции достаточно компетентны и продуктивны для поддержания форм жизни.

  Давайте применим все на практике. Попробуйте этот практический вопрос по биологии:

  Ищете больше практики по биологии?

  Ознакомьтесь с другими нашими статьями по биологии.

  Вы также можете найти тысячи практических вопросов на Albert.io. Albert.io позволяет вам настроить учебный процесс так, чтобы он ориентировался на практику, в которой вам больше всего нужна помощь.