Інтернет-енциклопедія Larousse - фотосинтез
Щоб отримати огляд харчування, спочатку зверніться до наступних статей у файлі, натиснувши вибрану вами:
- харчування
- їжа
- їжа
- Травна
- кровообіг
- травлення
- лімфатичний
- лімфа
- недоїдання
- обмін речовин
- мікроелемент
- фотосинтез
- крові
- вітамін
У рослин та деяких бактерій відбувається процес отримання органічної речовини з вуглекислого газу в атмосфері та (головним чином) води, використовуючи сонячне світло як джерело енергії та виробляючи виділення кисню. [Віковий синонім: асиміляція хлорофілу.]
1. Принцип
Фотосинтез, що буквально означає «синтез [органічної речовини] світлом», відповідає захопленню світлової енергії від Сонця та її накопиченню у вигляді органічної речовини (особливо вуглеводів). При цьому фотосинтезують рослини та бактерії виробляють власні компоненти із сонячної енергії (кажуть, що вони автотрофні).
Принцип фотосинтезу
Фотосинтез рослин і ціанобактерій споживає воду (H2O), вуглекислий газ (CO2) і виробляє кисень (O2) - експерименти з радіоактивним маркуванням показали, що цей кисень надходить з води, а CO2 не поглинається. При цьому вона збагачуєатмосфера в кисні. Споживаний живими істотами (дихання), цей атмосферний кисень постійно оновлюється діяльністю всіх фотосинтетичних організмів - якби на Землі більше не було фотосинтезу, його запас з часом закінчився б. Особливий випадок - фотосинтез фіолетових бактерій та зелених бактерій не виділяє кисень, а інші побічні продукти (головним чином сірку [S]).
Будова листа
Енергію для фотосинтезу забезпечує випромінювання Сонця. Тому світло є вирішальним фактором у процесі (саме тому, наприклад, кімнатна рослина, розміщена в темній кімнаті, швидко в’яне). Оптимальна інтенсивність світла відрізняється для різних рослин або видів бактерій. Різні випромінювання, з яких складається біле світло, мають специфічну дію: червоне (600 нм) та індиго (400-450 нм) випромінювання, поглинене хлорофілом, є найбільш ефективними; зелені не мають ефекту.
2. Місцезнаходження
У рослин і водоростей фотосинтез відбувається на рівні зелених частин, зокрема листя: їхні клітини справді містять невеликі фотосинтетичні фабрики, хлоропласти, які самі містять хлорофіл, кольоровий пігмент. У рослин, які не мають зеленого кольору - наприклад, у рослин з фіолетовим листям - процес і розташування однакові: просто хлорофіл маскується пігментами інших кольорів.
Ціанобактерії
У бактерій (особливо рясних ціанобактерій, але також зелених бактерій і фіолетових бактерій), яким не вистачає органел, відбувається фотосинтез у цитоплазмі при інвагінації клітинної мембрани або тільців (так звані хлоросоми), які містять бактеріохлорофіли.
У рослинах та ціанобактеріях згруповані фотосинтетичні пігменти фотосистеми: вони складаються з a збірна антена фотони (що складаються з хлорофілу b, каротиноїдів та білків) та a реакційний центр (складається з двох молекул хлорофілу а), який виконує функцію перенесення електронів в ланцюг акцепторів електронів. Визначено дві різні фотосистеми: фотосистема I та фотосистема II (нумеруються в порядку їх виявлення).
3. Фази фотосинтезу
Фотосинтез відбувається у дві різні фази: світлозалежна фаза (фотохімічна фаза або світлова фаза), під час якої сонячна енергія вловлюється хлорофілом, слідує фаза, незалежна від світла (нефотохімічна фаза або темна фаза, значно довша, де ця енергія звикла здійснювати хімічні синтези.
3.1. Фотохімічна фаза
У рослин, фотохімічна фаза, також відомий як прозора фаза або світлова фаза (хоча в даний час вчені відмовляються від цих виразів) відбувається у складках мембрани хлоропласту, які називаються тилакоїдами.
Під час цієї фази фотосистема I (PS I), уражена фотонами від сонячного світла, викидає електрони. Вони переносяться в ланцюг електронних транспортерів, в кінці яких вони служать для відновлення НАДФ + до НАДФН + Н + (→ нікотинамід).
Фотосинтез
Фотони також вражають фотосистему II (PS II), яка також виділяє електрони. Вони переносяться в ланцюг передачі електронів, а потім у комплекс, який називається цитохром. Цей останній перенос викликає проходження іонів Н + через строму хлоропласта (водне середовище всередині хлоропласту); цей прохід дозволяє ферменту, АТФ-синтетазі, продукувати молекули АТФ (аденозинтрифосфату) - АТФ є універсальною молекулою накопичувача енергії в живих істотах. З цитохрому електрони проходять через PS I, щоб компенсувати втрату електронів, постраждалих в результаті дії фотонів. Фотони також спричиняють руйнування молекул води (це фотоліз води). Ця реакція (H2O → 2H + + ½ O2 + 2e -) утворює протони, які приєднуються до строми хлоропласту, і електрони, які заповнюють електронну дірку PS II; також ця реакція виділяє кисень (ми бачимо, що кисень є побічним продуктом, відходами механізму фотосинтезу).
3.2. Нефотохімічна фаза
нефотохімічна фаза, раніше називався темною фазою або неясною фазою, протікає в стромі хлоропласта і не потребує світла. Це відповідає синтезу органічної речовини; він споживає СО2 і виділяє воду. АТФ і НАДФН + Н +, що виробляються фотохімічною фазою, використовуються для перетворення СО2 у вуглеводи в серії біохімічних реакцій, званих цикл кальвіна. Це починається зі зв’язування вуглекислого газу із сполукою під назвою RuDP (рибулоза-1,5-дифосфат) завдяки ферменту, Рубіско (рибулоза-1,5 бісфосфат карбоксилаза/оксигеназа) - головний гравець у перетворенні СО2 в органічні сполуки, Рубіско є найпоширенішим білком на Землі.
Цикл Кальвіна
Цикл Кальвіна утворює тріозу (цукор С3), гліцеральдегід-3-фосфат (при споживанні 3 СО2, 9 АТФ і 6 НАФН + Н +). Потім триози поєднуються з утворенням інших цукрів, таких як глюкоза (цукор С6 або гексоза).
Приблизно через п’ятнадцять секунд після поглинання СО2 з’являються перші цукри. Сахароза та крохмаль утворюються з певних гексоз. Крім вуглеводів, фотосинтез може також утворювати ліпіди та білки, зв'язуючись з молекулою азоту.
Цей цикл існує у водоростей, рослин помірних регіонів та всіх дерев; ці рослини називають "рослинами С3", оскільки цикл виробляє триозу.
4. Спеціальні адаптації
4.1. Рослини в С4
У тропічних травах (кукурудза, просо, сорго, цукровий очерет, кілька рослин родини Amarantaceae) в 1966 р. Був відкритий інший механізм, який називався «фотосинтез С4». Це двоступеневий фотосинтез, який відбувається у двох різних місцях на листках: перший крок у хлоропластах клітин мезофілу («центральний шар» листа), другий - у шарах листяної оболонки. оточують сокопровідні судини (периваскулярна оболонка). У мезофілі вуглецеве зв’язування призводить до сполуки С4 (малату або аспартату). Потім він транспортується до периваскулярної оболонки, де знову розщеплюється на CO2. Потім цей СО2 включається в класичний цикл Кальвіна, в результаті якого виробляється глюкоза та крохмаль. Цей механізм працює тим краще, коли світло яскравіше і температура становить близько 40-50 ° C.
Рослини С4 мають набагато вищий урожай фотосинтезу, ніж рослини С3.
Оскільки синтез вуглеводів відбувається навколо провідних судин, міграція синтезованих продуктів також відбувається швидше. Фотодихання (фіксація O2 замість CO2 на Рубіско циклу Кальвіна, механізм, що знижує ефективність фотосинтезу) дуже низький. У той час як рослинам в С3 потрібно 150-250 г води для засвоєння 1 г вуглецю, рослини в С4 можуть бути задоволені від 50 до 100 г.
4.2. CAM (Метаболізм червоної кислоти)
Певні рослини, зазвичай сукуленти та деякі папороті, полагодити CO2 за ніч з утворенням яблучної кислоти. Ця кислота розщеплюється протягом дня і виділяє СО2, який, як і раніше, вводиться в цикл синтезу (цикл Кальвіна), використовуючи енергію, захоплену хлоропластами у світлі. Таким чином, рослини САМ можуть підтримувати життя в посушливих середовищах: їхні продихи закриваються вдень, щоб обмежити транспірацію, і відкриваються вночі, щоб СО2 проникав, синтези, що відбуваються наступного дня.
5. Огляд фотосинтезу
Рівняння балансу для фотосинтезу у рослин та ціанобактерій (у яких вода є донором електронів) має вигляд:
6. Важливість фотосинтезу
Від світла, отриманого аркушем, 20% відбивається, 10% передається і 70% ефективно поглинається, з них 20% розсіюється в теплі, 48% втрачається у флуоресценції. Близько 2% залишається використаним для фотосинтезу.
Тропічні ліси
Завдяки фотосинтезу рослини граються незамінна роль на поверхні Земля; насправді, зелені рослини - це кілька груп бактерій, єдині живі істоти, здатні виробляти органічні речовини з мінеральних елементів. За підрахунками, щороку наземні рослини фіксують 20 мільярдів тонн вуглецю з вуглекислого газу в атмосфері та 15 мільярдів водоростями.
Зелені рослини є основними первинними виробниками, першою ланкою в трофічному ланцюзі (→ харчовий ланцюг); нехлорофілієві рослини та рослиноїдні та хижі тварини (включаючи людину) повністю залежать від фотосинтезу.
Для отримання додаткової інформації дивіться статті обмін речовин, екологія.