Фотосинтез: темнова фаза. Хемосинтез
- 27-09-2021, 15:38
- 674
9 Клас , Біологія 9 клас Остапченко, Балан, Поліщук
§ 19. Фотосинтез: темнова фаза. Хемосинтез
Пригадайте, які процеси відбуваються у світлову фазу фотосинтезу. Які особливості клітин прокаріотів? Які організми належать до фототрофів?
За світловою фазою фотосинтезу настає темнова. Саме під час темнової фази з неорганічних сполук синтезуються вуглеводи.
Реакції темнової фази фотосинтезу відбуваються у стромі хлоропластів без участі світла цілодобово. Вона починається з того, що особлива сполука фіксує молекулу СО2, що надходить у хлоропласти з атмосферного повітря.
До молекули СО2 за допомогою певних ферментів приєднується Гідроген (який постачає відновлений протягом світлової фази НАДФ • Н). На здійснення реакцій темнової фази витрачається енергія, яка була акумульована в макроергічних зв’язках молекул АТФ, синтезованих під час світлової фази. Через низку послідовних реакцій, також за участю специфічних ферментів, утворюються глюкоза та інші моносахариди. Згодом з них синтезуються полісахариди (наприклад, крохмаль, целюлоза та ін.).
Послідовність реакцій темнової фази з’ясував американський учений М. Кальвін (мал. 96) зі своїми співробітниками. На його честь комплекс цих біохімічних реакцій назвали циклом Кальвіна.
Підсумкове рівняння обох фаз фотосинтезу має такий вигляд:
6СО2 + 6Н2О —> С6Н12О6 + 6O2↑
Мал. 96. Американський учений Мелвін Кальвін (1911-1997). Перший описав цикл біохімічних реакцій під час темпової фази фотосинтезу. За свої дослідження отримав Нобелівську премію
Процес надходження до клітин рослин СО2 називають повітряним живленням.
Запам’ятаємо: процеси темнової фази є прикладом реакцій пластичного обміну, або асиміляції.
Вуглеводи, синтезовані під час реакцій темнової фази, відіграють важливу роль у процесах енергетичного обміну, адже вони можуть не тільки окиснюватись, а й розщеплюватись без участі кисню. Отже, глюкоза, яка належить до моносахаридів, є формою акумуляції хімічної енергії: при її розщепленні та остаточному окисненні в мітохондріях звільняється енергія, що витрачається на потреби організму. Крім того, з глюкози в клітинах рослин можуть синтезуватися полісахариди (крохмаль, целюлоза тощо), які можуть відкладатися про запас.
Які особливості процесів фотосинтезу в різних груп прокаріотів? У різних груп прокаріотів процеси фотосинтезу можуть відбуватись по-різному. У ціанобактерій фотосинтез відбувається так само, як і в зелених рослин. У них задіяні дві фотосистеми - І та II. Під час світлової фази відбувається фотоліз води з виділенням молекулярного кисню. На відміну від ціанобактерій, у пурпурних бактерій і зелених сіркобактерій є лише одна фотосистема. Тому під час фотосинтезу в них кисень не виділяється.
Яке значення фотосинтезу для існування біосфери? Завдяки фотосинтезу фотосинтезуючі організми вловлюють світлову енергію Сонця і перетворюють її на енергію хімічних зв’язків синтезованих ними вуглеводів. Коли організми-гетеротрофи (тварини, гриби тощо) споживають живих автотрофів або їхні рештки, то разом з їжею отримують і запасену в ній енергію. Тож існування біосфери можливе саме завдяки фотосинтезу.
Зелені рослини і ціанобактерії, вбираючи вуглекислий газ і виділяючи кисень, підтримують сталий газовий склад атмосфери. Крім того, під дією космічних променів кисень перетворюється на озон (О3), який формує озоновий шар (екран) атмосфери. Він поглинає короткохвильові (ультрафіолетові) космічні промені, які згубно діють на живу матерію. До того часу, коли він ще не був створений, життя могло існувати лише у воді, оскільки вода поглинає ультрафіолетові промені з короткою довжиною хвиль.
Отже, рослини є своєрідними посередниками в надходженні енергії сонячного світла до інших мешканців нашої планети, які не можуть її використовувати безпосередньо для процесів пластичного обміну. Уперше на це звернув увагу видатний учений К.А. Тімірязєв (мал. 97), обґрунтувавши положення про космічну роль зелених рослин.
Саме завдяки фотосинтезу підтримується сталий вміст кисню в атмосфері. Кисень використовують у процесі дихання більшість організмів. Тому без перебільшення можемо стверджувати, що життя на нашій планеті без зелених рослин існувати не може. Рослини, таким чином, є універсальною біохімічною лабораторією зі створення органічних сполук з неорганічних (мал. 98).
На процес фотосинтезу можуть впливати різні зовнішні чинники. Так, продуктивність фотосинтезу зростає за умов кращого водопостачання рослин, їхнього оптимального освітлення, забезпечення вуглекислим газом, завдяки селекції сортів, спрямованій на підвищення ефективності фотосинтезу тощо. Нестача вологи гальмує процес фотосинтезу, навіть за оптимальної інтенсивності освітлення й концентрації СО2 в атмосфері. Швидкість реакцій темнової фази зростає зі збільшенням температури, але за температури +30 °С і вище вона гальмується, а за надто високих температур процес фотосинтезу взагалі припиняється.
Мал. 97. Тімірязєв Климент Аркадійович (1843-1920) - видатний учений у галузі фізіології рослин. Першим довів роль хлорофілу у процесах фотосинтезу й залежність інтенсивності процесів фотосинтезу від інтенсивності освітлення рослин. Сформулював положення про космічну роль зелених рослин
Цікаво знати
Якщо в ціанобактерій фотосинтезуючими пігментами є хлорофіли, то у пурпурних бактерій і зелених сіркобактерій - бактеріохлорофіли.
Цікаво знати
Щорічно завдяки фотосинтезу на Землі утворюється приблизно 150 млрд тонн вуглеводів і виділяється понад 200 млрд тонн газоподібного кисню. Загалом рослини використовують для фотосинтезу лише до 2-5 % сонячної енергії, що досягає поверхні нашої планети. За рік рослинний світ Землі продукує близько 1017кДж енергії, що значно перевищує кількість енергії корисних копалин, яке споживає за рік людство. При цьому самі ці корисні копалини (нафта, газ та вугілля) - не що інше, як продукт фотосинтезу стародавніх рослин. Учені підрахували, що річна продуктивність фотосинтезу містить енергії майже у 10 разів більше, ніж необхідно для забезпечення потреб сучасного населення нашої планети.
Мал. 98. Зелений листок - універсальна біохімічна лабораторія. Завдання. Простежте за зв’язками між світловою та темновою фазами фотосинтезу
Крім фотосинтезуючих організмів, органічні сполуки з неорганічних можуть створювати й певні групи бактерій. Ці процеси вони здійснюють шляхом хемосинтезу.
Що таке хемосинтез? Хемосинтезуючі організми, або хемотрофи (від грец. хемейя - хімія та трофе - живлення), для синтезу органічних сполук використовують енергію, яка звільняється під час окиснення неорганічних сполук. До хемотрофних організмів належать різні групи бактерій: нітрифікуючі, метаноутворюючі, залізобактерії, безбарвні аеробні хемотрофні бактерії та інші. Процес хемосинтезу відкрив 1887 року наш співвітчизник - видатний мікробіолог С. М. Виноградський (мал. 99).
Бактерії-хемосинтетики послідовно окиснюють аміак до нітритів (солі нітритної кислоти), а згодом - до нітратів (солі нітратної кислоти). Значення цих процесів важко переоцінити, оскільки нітрати потрібні рослинам для повноцінного живлення. Залізобактерії отримують енергію за рахунок окиснення сполук двовалентного Феруму до тривалентного. Безбарвні аеробні хемотрофні бактерії окиснюють сірководень та інші сполуки Сульфуру до сульфатної кислоти.
Яка роль хемотрофних організмів у природі? Хемотрофні організми відіграють важливу роль у процесах колообігу певних хімічних елементів у природі. Пригадайте: колообіг речовин - це закономірна міграція певних сполук між живою (різні групи живих істот) і неживою частинами екосистем. При цьому багато процесів перетворення хімічних елементів у біосфері відбуваються лише за участю хемотрофних організмів. Крім того, хемотрофні організми здатні синтезувати органічні сполуки з неорганічних у тих частинах біосфери, куди не досягає сонячне світло. Залізобактерії беруть участь у створенні покладів залізних руд, які використовує людина.
Мал. 99. Сергій Миколайович Виноградський (1856-1953). Народився у м. Києві. Відкрив процес хемосинтезу. Досліджував процеси колообігу Нітрогену в природі
Коротко про головне
Процес фотосинтезу поєднує в собі риси енергетичного і пластичного обміну.
Реакції темнової фази фотосинтезу відбуваються у внутрішньому середовищі хлоропластів цілодобово. За рахунок фіксації СО2 та використання енергії АТФ у процесі циклу біохімічних реакцій синтезуються вуглеводи (як-от глюкоза).
Фотосинтезуючі організми вловлюють з космосу світлову енергію Сонця і перетворюють її на енергію хімічних зв’язків синтезованих вуглеводів. Ці сполуки споживають організми-гетеротрофи. Зелені рослини і ціанобактерії, вбираючи вуглекислий газ і виділяючи кисень, впливають і на газовий склад атмосфери.
Хемотрофи для синтезу органічних сполук з неорганічних використовують енергію, яка звільняється під час окиснення неорганічних сполук.
Ключові терміни та поняття: темнова фаза фотосинтезу, цикл Кальвіна, космічна роль зелених рослин, хемосинтез, хемотрофні організми.
Перевірте здобуті знання
1. Які процеси відбуваються під час темнової фази фотосинтезу? 2. Які умови потрібні для здійснення темнової фази фотосинтезу? 3. Чому процеси темнової фази належать до реакцій пластичного обміну? 4. Чому без зелених рослин існування біосфери стало б неможливим? 5. Що таке хемосинтез? 6. Що спільного та відмінного між фототрофними та хемотрофними організмами? 7. Які організми здатні до хемосинтезу? 8. Яке біологічне значення процесу хемосинтезу?
Поміркуйте
Що спільного і відмінного між процесами хемосинтезу і фотосинтезу?
ТЕСТ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ ЗНАНЬ
Виберіть із запропонованих відповідей правильну
1. Укажіть органели, у яких міститься хлорофіл: а) мітохондрії; б) хлоропласти; в) вакуолі; г) комплекс Гольджі.
2. Укажіть кількість молекул АТФ, які синтезуються під час безкисневого етапу енергетичного обміну: а) 2; б) 4; в) 38; г) молекули АТФ не синтезуються.
3. Укажіть кількість молекул АТФ, які синтезуються під час кисневого етапу енергетичного обміну: а) 1 молекула; б) 4 молекули; в) 36 молекул; г) 38 молекул.
4. Виберіть фазу фотосинтезу, під час якої синтезуються молекули АТФ: а) темнова; б) світлова; в) як під час світлової, так і під час темнової; г) у процесі фотосинтезу молекули АТФ не синтезуються.
5. Укажіть джерело енергії, яку використовують організми під час хемосинтезу: а) вивільняється при розщепленні органічних сполук; б) вивільняється при окисненні неорганічних сполук; в) вивільняється при розщепленні молекул АТФ; г) енергія світла.
6. Укажіть органели, у яких відбувається кисневий етап енергетичного обміну: а) мітохондрії; б) хлоропласти; в) комплекс Гольджі; г) вакуолі з клітинним соком.
7. Назвіть процеси, під час яких синтезуються молекули АТФ: а) світлова фаза фотосинтезу; б) темнова фаза фотосинтезу; в) підготовчий етап енергетичного обміну; г) світлова фаза хемосинтезу.
8. Назвіть умови, без яких процес фотосинтезу стає неможливим: а) відсутність вуглекислого газу в атмосфері; б) відсутність глюкози в клітинах; в) відсутність хромопластів; г) відсутність мітохондрій.
9. Назвіть організми, які здійснюють хемосинтез: а) зелені рослини; б) тварини; в) гриби; г) нітрифікуючі бактерії.
10. Зазначте організми, які здійснюють фотосинтез: а) ціанобактерії; б) багатоклітинні тварини; в) гриби; г) нітрифікуючі бактерії.
11. Укажіть біохімічні процеси, які належать до пластичного обміну: а) дихання; б) окиснення органічних сполук; в) окиснення неорганічних сполук; г) хемосинтез.
12. Укажіть біохімічні процеси, які належать до енергетичного обміну: а) темнова фаза фотосинтезу; б) синтез білків; в) подвоєння ДНК; г) розщеплення органічних сполук без доступу кисню.
13. Укажіть походження електронів, за рахунок яких відновлюється фотосистема І: а) походять з фотосистеми II; б) власні, які повертаються на свій енергетичний рівень; в) звільняються при розщепленні молекули води; г) звільняються при розщепленні НАДФ.
14. Укажіть процес, під час якого виділяється молекулярний кисень: а) кисневий етап енергетичного обміну; б) світлова фаза фотосинтезу; в) темнова фаза фотосинтезу; г) анаеробне дихання.
Утворіть логічні пари
15. Установіть відповідність між етапами енергетичного обміну та кількістю молекул АТФ, які під час цих етапів синтезуються.
- 1 підготовчий
- 2 безкисневий
- 3 кисневий
- А 38 молекул
- Б 36 молекул
- В 2 молекули
- Г молекули АТФ не синтезуються
16. Установіть відповідність між біохімічними процесами та місцями їхнього перебігу.
- 1 хемосинтез
- 2 світлова фаза фотосинтезу
- 3 цикл Кребса
- 4 темнова фаза фотосинтезу
- А тилакоїди
- Б строма хлоропластів
- В ядро
- Г мітохондрії
- Д клітини деяких прокаріотів
17. Визначте відповідність біохімічних процесів до певного типу метаболізму.
- 1 реакції енергетичного обміну
- 2 реакції пластичного обміну
- 3 реакції як пластичного, так і енергетичного обміну
- А біосинтез білків
- Б фотосинтез
- В розщеплення ліпідів
Завдання з вибором трьох правильних відповідей із трьох груп запропонованих варіантів відповідей
18. Схарактеризуйте роль різних органел у метаболізмі клітини.
19. Охарактеризуйте енергетичний баланс різних етапів енергетичного обміну.
20. Охарактеризуйте процеси метаболізму.
Запитання з відкритою відповіддю
21. Як відбувається обмін речовин між клітиною та її навколишнім середовищем? Відповідь обґрунтуйте.
22. Які з органел еукаріотичної клітини беруть участь у синтезі органічних сполук?
23. Відомо, що в процесі повного розщеплення однієї молекули глюкози виділяється енергія, достатня для синтезу 38 молекул АТФ. Яка це кількість енергії, якщо врахувати, що на безкисневому етапі запасається приблизно 40 % енергії, а на кисневому - приблизно 55 %?
Коментарі (0)