Фотосинтез — это процесс, с помощью которого растения, водоросли и некоторые микроорганизмы превращают солнечную энергию в химическую, создавая органические вещества, в первую очередь углеводы, из неорганических соединений (углекислого газа и воды). Это один из самых важных биологических процессов на Земле, обеспечивающий основу жизни для всех аэробных (кислородных) существ.
1. Общее описание процесса фотосинтеза
Фотосинтез происходит в хлоропластах клеток растений и водорослей, а также в специализированных структурах (например, цианобактериях) у некоторых микроорганизмов. Он можно разделить на два основных этапа:
Световая фаза (фотохимическая реакция).
Темновая фаза (темновая реакция или цикл Кальвина).
2. Световая фаза фотосинтеза (фотохимическая реакция)
Световая фаза происходит в тилакоидных мембранах хлоропластов. В этой фазе энергия солнечного света поглощается хлорофиллом и другими пигментами, что инициирует серию химических реакций.
Поглощение света: Когда хлорофилл поглощает фотон света, он возбуждает электроны, которые переходят на более высокие энергетические уровни.
Разделение воды: Эти возбужденные электроны передаются через цепь переноса электронов (состоящую из белков и молекул, расположенных в тилакоидных мембранах). В процессе происходит разделение молекулы воды на кислород (O₂), протоны (H⁺) и электроны. Это называется фотолизом воды. Высвобожденный кислород выделяется в атмосферу как побочный продукт.
Формирование энергии: Электроны, проходя через цепь переноса, создают протонный градиент через мембрану тилакоидов, который затем используется для синтеза АТФ (аденозинтрифосфата) и НАДФН (никотинамидадениндинуклеотидфосфата) — молекул, которые будут использоваться в темновой фазе.
3. Темновая фаза фотосинтеза (цикл Кальвина)
Темновая фаза не требует прямого солнечного света, но она использует продукты световой фазы (АТФ и НАДФН) для синтеза органических веществ, таких как глюкоза. Процесс происходит в строме хлоропластов.
Цикл Кальвина включает несколько этапов:
Уловливание углекислого газа: CO₂ из атмосферы фиксируется (встраивается) в молекулу, содержащую 5 углеродных атомов — рибулозо-1,5-бисфосфат (РБФ). Этот процесс катализируется ферментом рибулаксозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазой (Рубиско), который является одним из самых распространённых ферментов на Земле.
Формирование 3-фосфоглицеровой кислоты (3-ФГК): В результате реакции с углекислым газом получается нестабильное соединение, которое распадается на два молекулы 3-фосфоглицеровой кислоты (3-ФГК) — 3 углеродных атома.
Восстановление: 3-ФГК затем восстанавливаются с использованием энергии, полученной в световой фазе (в виде АТФ и НАДФН), превращаясь в глицеральдегид-3-фосфат (ГА3Ф), который может быть использован для синтеза различных органических соединений.
Восстановление РБФ: Некоторые молекулы ГА3Ф используются для восстановления исходного соединения (РБФ), что позволяет циклу продолжать работать. Остальные молекулы ГА3Ф могут быть использованы для создания углеводов, таких как глюкоза.
Таким образом, основной результат темновой фазы — это синтез углеводов, которые могут использоваться растением как источник энергии и углерода для роста и развития.
4. Преобразование органических веществ после фотосинтеза
После того как углеводы, такие как глюкоза, были синтезированы в ходе фотосинтеза, растения могут их использовать различными способами:
Глюкоза как источник энергии: В первую очередь, глюкоза служит источником энергии для метаболических процессов. Она может быть расщеплена через гликолиз и цикл Кребса для производства АТФ, необходимого для клеточных функций.
Хранение энергии: Излишки углеводов могут быть преобразованы в крахмал — полисахарид, который служит резервным источником углерода и энергии. Крахмал накапливается в разных частях растения: клубнях, семенах, корнях.
Синтез других органических веществ: Глюкоза используется для синтеза других органических соединений, таких как целлюлоза (важный компонент клеточной стенки), аминокислоты, жирные кислоты и витамины. Эти вещества необходимы для роста растения, его репродукции и защиты от внешних факторов.
Фотосинтетические побочные продукты: Кроме того, в процессе фотосинтеза производятся и другие органические вещества, такие как кислород (как побочный продукт световой фазы), а также различные углеводы, которые могут использоваться микроорганизмами, животными и человеком.
5. Важность фотосинтеза для экосистемы
Фотосинтез не только обеспечивает растения (и другие фотосинтетические организмы) органическими веществами для их роста, но и поддерживает жизнь на Земле в целом. Все животные, включая человека, зависят от растений как источника пищи (продуцентами в экосистемах). В процессе фотосинтеза растения производят кислород, который необходим для дыхания аэробных организмов. Этот процесс — основа для всех пищевых цепочек и биогеохимических циклов.
Заключение
Фотосинтез — это ключевой процесс для поддержания жизни на Земле, превращая солнечную энергию в химическую в виде органических веществ, которые служат топливом для всех живых существ. Этот процесс является основой жизни в экосистемах, обеспечивая не только энергетический обмен, но и регуляцию углеродного и кислородного циклов в атмосфере.
