Что образуется в световой фазе
Фотосинтез
Типы питания
Фотосинтез
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):
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).
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:
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
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.
Хемосинтез был открыт русским микробиологом С.Н. Виноградским в 1888 году. Большинство хемосинтезирующих бактерий относится к аэробам, для жизни им необходим кислород.
Значение хемосинтеза
Хемосинтезирующие бактерии являются неотъемлемым звеном круговорота в природе таких элементов как: азот, сера, железо.
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 и темновая фазы фотосинтеза
Урок 13. Биология. Сложные вопросы. Ботаника
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Световая и темновая фазы фотосинтеза»
Процесс фотосинтеза представляет собой цепь окислительно-восстановительных реакций, где происходит восстановление углекислого газа до органических веществ. Всю совокупность фотосинтетических реакций делят на две фазы – световую и темновую. Световая фаза осуществляется на мембранах тилакоидов и только при наличии света. Реакции темновой фазы протекают в строме хлоропластов и не требуют света, однако для их прохождения необходимы продукты световой фазы. Поэтому темновая фаза идёт практически со световой.
Для световой фазы характерно то, что энергия солнечного света, поглощённая хлорофиллами, преобразуется сначала в электрохимическую, а затем в энергию макроэргических связей АТФ (это ковалентные связи, которые гидролизуются с выделением большого количества энергии).
Световая фаза фотосинтеза разделяется на фотофизическую и фотохимическую фазы. В фотофизической происходит поглощение квантов света молекулами хлорофиллов. В фотохимической фазе обе фотосистемы работают согласованно.
Рассмотрим подробно процессы, которые протекают в световой фазе.
1. Пигменты фотосистемы I и фотосистемы II поглощают свет разной длины волны. Полученная энергия передаётся в реакционные центры на молекулы хлорофиллов (молекулы-ловушки). Важнейшими из хлорофиллов реакционного центра являются хлорофиллы П700 в фотосистеме I и П680 в фотосистеме II. Они поглощают свет с длиной волны 700 и 680 нм соответственно. Молекулы хлорофиллов переходят в возбуждённое состояние и отдают электроны переносчикам.
Получается, что фотосистема I восстанавливается за счёт электронов из фотосистемы II, которая, в свою очередь, получает электроны за счёт фотолиза воды:
Фотолиз воды осуществляется благодаря наличию в фотосистеме II ферментного комплекса, который расщепляет молекулы воды с образованием кислорода, электронов и протонов водорода. Протоны водорода накапливаются внутри тилакоида. Кислород, который образуется при фотолизе воды, выделяется из хлоропласта в цитоплазму клетки, а затем через устьица в окружающую среду.
2. Таким образом, по разные стороны мембраны накапливаются протоны и электроны, которые, соответственно, имеют положительный и отрицательный заряды. Это ведёт к возникновению электро-химического потенциала на мембране тилакоида. В мембране тилакоида также содержится фермент АТФ-синтетаза. Когда концентрация протонов достигает определённого уровня (200 мВ), они устремляются в строму хлоропласта, проходя через специальные каналы АТФ-синтетазы, то есть начинает работать протонная помпа. При этом АТФ-синтетаза использует энергию движения протонов для синтеза АТФ. На выходе из протонного канала создаётся высокий уровень энергии, которая используется для фосфорилирования молекул АДФ, имеющихся в матриксе хлоропластов.
3. На внешней стороне тилакоида происходит восстановление НАДФ окисленного за счёт присоединения к нему электронов и протонов. НАДФ – никотинамидадениндинуклеотидфосфат – это переносчик водорода в процессе фотосинтеза.
Таким образом, в ходе световой фазы энергия света поглощается и преобразуется в энергию макроэргических связей АТФ, происходит расщепление воды с выделением кислорода и накопление атомов водорода (в форме НАДФ восстановленного).
Продуктами световой фазы фотосинтеза являются АТФ, восстановленный НАДФ и кислород. Кислород – побочный продукт фотосинтеза, он выделяется в окружающую среду. Весь кислород воздуха на нашей планете был образован в результате фотосинтетической деятельности зелёных растений.
Далее начинается темновая фаза фотосинтеза, которая протекает в строме хлоропласта. Поскольку для прохождения реакций данной фазы не нужен свет, её назвали темновой. В ней используются продукты световой фазы, а именно АТФ и НАДФ восстановленный, поэтому реакции темновой фазы происходят почти одновременно с реакциями световой фазы.
Из окружающей среды через устьица в хлоропласты поступает углекислый газ, и происходит его восстановление до органических веществ, в химических связях которых запасена энергия, первоначально полученная при возбуждении электрона хлорофилла квантом света.
Углекислый газ способен реагировать с пятиуглеродным соединением – рибулёзо-1,5-бифосфатом, которое образуется в строме в результате фосфорилирования с помощью АТФ молекул рибулозо-5-фосфата. Фермент присоединяет углекислый газ к рибулёзо-1,5-бифосфату, и полученный в результате этого шестиуглеродный промежуточный продукт быстро распадается на две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты. Затем происходит цикл реакций, который называется циклом Кальвина (или С3-путь). Через ряд промежуточных продуктов фосфоглицериновая кислота преобразуется в глюкозу.
Восстановление углекислого газа – это сложный многоступенчатый процесс, который можно выразить общим уравнением:
6СО2 + 12НАДФ
Н+Н + + 18АТФ → С6Н12О6 + 12НАДФ + + 18АДФ + 18Н3РО4
Из записанного уравнения видно, что для синтеза одной молекулы глюкозы необходимо окислить 12 молекул НАДФ восстановленного, которые служат источником атомов водорода, и 18 молекул АТФ, которые служат источником энергии для синтеза глюкозы. Таким образом, в темновой фазе фотосинтеза энергия макроэргических связей АТФ преобразуется в энергию химических связей органических веществ.
Если объединить процессы, протекающие в обеих фазах, исключив промежуточные стадии и вещества, можно получить суммарное уравнение процесса фотосинтеза:
Фотосинтез происходит только на свету. Проведём опыт, который это доказывает.
Возьмём две ёмкости и опустим в них растения. Наполним ёмкости углекислым газом и плотно закроем, чтобы не проникал воздух. Первую ёмкость выставим на яркий свет, вторую оставим в темноте. Через сутки откроем ёмкости, опустим в них горящие лучинки. В первой – лучинка не гаснет, а продолжает ярко гореть. Значит, в этой ёмкости появился кислород, поддерживающий горение. Зелёные листья растения поглотили значительную часть углекислого газа и выделили некоторое количество кислорода. Опущенная во вторую ёмкость горящая лучинка потухнет. Следовательно, зелёные растения выделяют кислород только на свету.
На скорость фотосинтеза оказывают влияние различные факторы окружающей среды: интенсивность падающего света, наличие влаги и минеральных веществ, температура окружающей среды и концентрация углекислого газа.
Проведём несложный опыт. Возьмём два одинаковых комнатных растения. Одно из них поставим туда, где оно будет освещаться ярким солнечным светом. Второе растение поставим в тёмное место, куда солнечный свет вообще не проникает. Через неделю срежем с каждого растения по одному листу. Опустим листья сначала в кипящую воду, а затем на несколько минут в горячий спирт, пока листья не обесцветятся. Промоем обесцвеченные листья, расправим их и обработаем слабым раствором йода. Известно, что от йода синеет крахмал. Тот лист, который был на свету, посинел. Второй же лист, на который не попадал солнечный свет, остался бесцветным. Опыт показывает, что только в том листе, который был освещён солнцем, образовался крахмал.
На самом деле первоначально под действием света в листьях образуется глюкоза. Но она быстро превращается в крахмал, который накапливается в листьях. В темноте крахмал вновь превращается в глюкозу, которая по проводящим тканям оттекает от листьев к другим органам растений.
Уникальность и биологическое значение фотосинтеза определяются тем, что жизнь на нашей планете всем своим существованием обязана этому процессу. Фотосинтез является основным источником питательных веществ для живых организмов, а также единственным поставщиком свободного кислорода на Земле. Из кислорода сформировался и поддерживается озоновый слой (часть стратосферы на высоте от 20 до 25 километров, с наибольшим содержанием озона). Озоновый слой защищает живые организмы от губительного воздействия ультрафиолетового излучения. Кроме того, благодаря фотосинтезу поддерживается относительно постоянное содержание углекислого газа в атмосфере.
Что такое фотосинтез? История открытия процесса, фазы фотосинтеза и его значение.
Оглянитесь вокруг! Пожалуй, в каждом доме есть хотя бы одно зеленое растение, а за окном несколько деревьев или кустарников. Благодаря сложному химическом процессу происходящего в них фотосинтеза стало возможно зарождение жизни на Земле и существование человека. Разберем историю его открытия, суть процесса и реакции, которые протекают в разных фазах.
История открытия фотосинтеза
В настоящее время школьники впервые знакомятся со сложными процессами фотосинтеза уже в 6 классе.
Но еще 300-400 лет назад ответ на вопрос «откуда растения берут питательные вещества для строительства своих клеток?» занимал умы ученых во всем мире.
Первым и очевидным ответом было предположение, что из земли. Однако, в далеком 1600 году фламандский ученый Ян Батист ван Гельмонт решил проверить влияние почвы на рост растений и провел уникальный в своей простоте опыт. Естествоиспытатель взял веточку ивы и бочку с почвой. Предварительно их взвесил. А затем посадил отросток ивы в бочку с почвой.
Долгие пять лет ван Гельмонт поливал молодое деревце лишь дождевой водой. А через пять лет выкопал деревце, и вновь взвесил отдельно деревце и отдельно почву. Каково же было его удивление, когда весы показали, что деревце увеличило свой вес практически в тридцать раз, и совсем не походило на тот скромный прутик, что был посажен в кадку. А вес почвы уменьшился всего на 56 граммов.
Ученый сделал вывод. что почва практически не дает строительного материала растениям, а все необходимые вещества растение получает из воды.
После ван Гельмонта различные ученые повторили его опыт, и сложилась так называемая «водная теория питания растений».
Одним из тех, кто попытался возразить этой теории был М.В. Ломоносов. И строил он свои возражения на том, что на пустых, скудных северных землях с редкими дождями растут высокие, мощные деревья. Михаил Васильевич предположил, что часть питательных веществ растения впитывают через листья, но доказать свою теорию экспериментально он не смог.
И как часто бывает в науке, помог его величество случай.
Однажды нерадивая мышь, решившая поживиться церковными запасами, случайно перевернула банку и оказалась в ловушке. И через некоторое время погибла. К нашей удаче, эту мышь в банке обнаружил Джозеф Пристли, который был не просто священником, а по совместительству ученым-химиком, и очень интересовался химией газов и способами очистки испорченного воздуха. И тут церковным мышам не повезло. Они стали участницами различных опытов английского ученого.
Джозеф Пристли ставил под одну банку горящую свечу, а в другую сажал мышь. Свеча тухла, грызун погибал.
В наше время его самого зоозащитники посадили бы в банку, но в далеком 1771 году ученому никто не помешал продолжить свои опыты. Пристли посадил мышь в банку, где до этого потухла свеча. Животное погибло еще быстрее.
И тогда Пристли сделал вывод, что раз все живое на Земле до сих пор не погибло, Бог (мы же помним, что Пристли был священником), придумал некий процесс, чтобы воздух вновь был пригоден для жизни. И скорее всего, основная роль в нем принадлежит растениям.
Чтобы доказать это, ученый взял воздух из банки где погибла мышь, и разделил его на две части. В одну банку он поставил мяту в горшочке. А другая банка ждала своего часа. Через 8 дней растение не только не погибло, а даже выпустило несколько новых побегов. И он опять посадил грызунов в банки. В той, где росла мята — мышь была бодра и закусывала листиками. А в той, где мяты не было — практически моментально лежала дохлая мышиная тушка.
Опыты Пристли вдохновили ученых, и во всем мире начали отлавливать мелких грызунов и пытаться повторить его эксперименты.
Но мы же помним, что Пристли был священником и весь день, до вечерней службы мог заниматься исследованиями.
А Карл Шееле, аптекарь из Швейцарии, экспериментировал в домашней лаборатории в свободное от работы время, т.е. по ночам, и мыши дохли у него независимо от присутствия мяты в банке. В результате его экспериментов получалось, что растения не улучшают воздух, а делают его непригодным для жизни. И Шееле обвинил Пристли в обмане научной общественности. Пристли не уступил, и в результате противостояния ученых было установлено, что для восстановления воздуха растениям необходим солнечный свет.
Именно эти опыты положили начало изучению фотосинтеза.
Исследование фотосинтеза стремительно продолжалось. Уже в 1782 году, спустя всего лишь 11 лет после исследований Пристли, швейцарский ботаник Жан Сенебье доказал, что органоиды растений разлагают углекислый газ в присутствии солнечного света. И практически еще сто лет провальных и удачных экспериментов понадобилась ученым разных специальностей, чтобы в 1864 году немецкий ученый Юлиус Сакс смог доказать, что растения потребляют углекислый газ и выделяют кислород в соотношении 1:1.
Значение фотосинтеза для жизни на Земле
И теперь становится понятна важность процесса фотосинтеза для жизни на земле. Именно благодаря этому сложному химическом процессу стало возможно зарождение жизни на земле и существование человека.
Кто-то может возразить, что на Земле есть места, где не растут ни деревья ни кустарники, например, пустыни или Арктические льды. Ученые доказали, что доля кислорода, выделяемого зеленой массой лесов, кустарников и трав — т. е. растений, что обитают на поверхности суши, составляет всего около 20% газообмена, а 80% кислорода приходится на мельчайшие морские и океанские водоросли, которые потоками воздуха переносятся по всей планете, позволяя дышать животным в экстремальных, практически лишенных растительности регионах нашей удивительной планеты.
Благодаря фотосинтезу вокруг нашей планеты сформировался защитный озоновый экран, защищающий все живое на земле от космической и солнечной радиации, и живые организмы смогли выйти на сушу из глубин океана.
Подробнее о «великой кислородной революции» можно прочитать в учебнике «Биология 10-11 классы» под редакцией А.А. Каменского на портале LECTA.
К сожалению, в настоящее время кислород потребляют не только живые существа, но и промышленность. Уничтожаются тропические леса, загрязняются океаны, что приводит к снижению газообмена и увеличению дефицита кислорода.
Определение и формула фотосинтеза
Определение и формула фотосинтеза
Слово фотосинтез состоит из двух частей: фото — «свет» и синтез — «соединение», «создание». Если подходить к определению упрощенно, то фотосинтез — это превращение энергии света в энергию сложных химических связей органических веществ при участии фотосинтетических пигментов. У зеленых растений фотосинтез происходит в хлоропластах.
Схема фотосинтеза, на первый взгляд, проста:
Вода + квант света + углекислый газ → кислород + углевод
или (на языке формул):
Если копнуть поглубже и посмотреть на лист в электронный микроскоп, выяснится удивительная вещь: вода и углекислый газ ни в одной из структурных частей листа непосредственно друг с другом не взаимодействуют.
Фазы фотосинтеза
К фотосинтезу способны не только растения, но и многие одноклеточные животные благодаря специальным органоидам, которые называются хлоропласты.
Хлоропласты — это пластиды зеленого цвета фотосинтезирующих эукариот. В состав хлоропластов входят:
Сложный процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой. Как понятно из названия, световая (светозависимая) фаза происходит с участием квантов света. Название темновая фаза вовсе не означает, что процесс происходит в темноте. Более точное определение — светонезависимая. Т.е. для реакций, происходящих в этой этой фазе, свет не нужен, а протекает она одновременно со световой, только в других отделах хлоропласта.
Многие делают ошибку, говоря, что в процессе фотосинтеза происходит производство растениями такого необходимого человечеству кислорода. На самом деле фотосинтез — это синтез углеводов (например, глюкозы), а кислород — лишь побочный продукт реакции.
Световая фаза фотосинтеза
Световая фаза фотосинтеза происходит на мембранах тилакоидов. Фотон света, попадая на хлорофилл, возбуждает его и происходит выделение электронов и скопление отрицательно заряженных электронов на мембране. После того, как хлорофилл потерял все свои электроны, квант света продолжает воздействовать на воду, вызывая фотолиз Н2О.
Положительно заряженные протоны водорода накапливаются на внутренней мембране тилакоида.
Получается такой бутерброд: с одной стороны отрицательно заряженные электроны хлорофилла, с другой – положительно заряженные протоны водорода, а между ними – внутренняя мембрана тилакоида.
Гидроксильные ионы идут на производство кислорода:
Когда количество протонов водорода и электронов достигает максимума, запускается специальный переносчик — АТФ-синтаза. АТФ-синтаза выталкивает протоны водорода в строму, где их подхватывает специальный переносчик никотинамиддинуклеотидфосфат или сокращенно НАДФ. НАДФ — специфический переносчик протонов водорода в реакциях углеводов.
Прохождение протонов водорода через АТФ-синтазу сопровождается синтезом молекул АТФ из АДФ и фосфата или фотофосфорилированием, в отличие от окислительного фосфорилирования.
На этом световая фаза фотосинтеза заканчивается, а НАДФН+ и АТФ переходят в темновую фазу.
Повторим ключевые процессы световой фазы фотосинтеза:
У некоторых растений фотосинтез идет по упрощенному варианту, который называется «циклическое фосфорилирование» и разбирается этот процесс в учебнике «Биология 10-11 классы» под редакцией А. А. Каменского на портале LECTA.