Життя з точки зору фізики. За фізичними законами, життєві процеси полягають у поглинанні організмами енергії й речовин з навколишнього середовища та їх перетворенні. Саме ці процеси й становлять матеріальну основу для підтримання життєдіяльності й розмноження організмів. Тому головні завдання для будь-якого організму: перше — отримати енергію, життєву силу, друге — отримати з навколишнього середовища потрібні речовини, з яких за допомогою вже накопиченої енергії синтезувати біологічні молекули.

Фотосинтез і його значення в природі. Основним джерелом енергії для нашої планети загалом та для живої матерії зокрема є сонячна радіація. Енергію сонячного світла уловлюють рослини й перетворюють на потенційну енергію хімічних зв'язків.

Цей процес називають фотосинтезом (від грец. фотос — світло і синтез). Завдяки енергії світла рослини з карбон(ІV) оксиду, води та мінеральних солей синтезують усі необхідні для життя біологічні молекули. Під час фотосинтезу також відбувається виділення Оксигену. Саме біологічними молекулами, що синтезують клітини рослин, зрештою і живляться тварини, гриби та бактерії.

Біосферні функції фотосинтезу.

1. Без фотосинтезу неможливе життя і це явище планетарного рівня (іл. 18.1).

2. Фотосинтез є основним джерелом біологічної енергії, завдяки якому в клітинах рослин відбувається біологічний синтез — утворення органічних речовин з неорганічних. Таким чином у біосфері накопичуються запаси біологічної речовини та енергії.

1л. 18.1. Схема фотосинтезу

3. Тварини, поїдаючи рослини чи одні одних, так чи інакше існують за рахунок енергії, яку запасли рослини.

4. Завдяки фотосинтезу неорганічний Карбон стає складовою органічних речовин і входить до біологічного кругообігу.

5. Увесь Оксиген атмосфери і Світового океану — це також результат фотосинтезу. Завдяки вільному Оксигену з'явилось клітинне дихання, а утворення озонового шару атмосфери дозволило живим істотам вийти на суходіл.

Хлоропласти — місце, де відбувається фотосинтез у рослинних клітинах. Речовини, що беруть участь у фотосинтезі, — пігменти й ферменти — у чіткому порядку розташовані в мембрані тилакоїдів і в стромі. Причому знаковою речовиною, що бере участь у реакціях фотосинтезу, є хлорофіл (від грец. хлорос — зелений і філон — листок). Насправді за цією назвою приховується група дуже схожих зелених пігментів, які трохи відрізняються за своєю будовою.

Усі хлорофіли забарвлюють тіло організму або окремих його частин в інтенсивний зелений колір. Це викликано тим, що ці молекули синє й частково червоне світло сонячного спектра поглинають, а зелене — відбивають.

Крім того, хлорофілам властива флуоресценція (назва цього фізичного явища походить від мінералу флуориту, в якого воно було вперше виявлено) — нетривале післясвітіння під впливом опромінення світлом.

За хімічною природою хлорофіли — це сполуки, побудовані за тим самим принципом, що й небілкова частина (гем) гемоглобіну: їх основою є кільце, у центрі якого міститься Mg2+(іл. 18.2).

Фотосистеми.

Молекули хлорофілу зібрані у сеітлозбиральні комплекси (СЗК), у яких для кожної молекули розписана чітка роль. СЗК розташовуються в тилакоїдах. Крім того, що до складу СЗК входить кілька сотень молекул хлорофілу; у них також є і допоміжні пігменти — каротиноїди (іл. 18.3).

Іл. 18.2. Модель молекули хлорофілу

Sл. 18.3. Схема будови фотосистеми та рух по ній електрона

Завдання пігментів СЗК — уловлювати електрони та передавати їх у реакційний центр (РЦ). Тут відбувається перетворення світлової енергії на енергію хімічних зв’язків. Реакційний центр формується однією або двома молекулами хлорофілу. Розподіл «праці» між молекулами пігментів у СЗК суттєво збільшує ефективність фотосинтезу, внаслідок чого він може проходити навіть за слабкого й штучного освітлення. Світлозбиральний комплекс і реакційний центр, а також білки-переносники електронів формують фотосистеми (ФС), які бувають двох типів: фотосистема-І (ФС-І) і фотосистема-ІІ (ФС-ІІ). Вони розрізняються за кількістю і складом молекул пігментів, зокрема й хлорофілу.

Реакції фотосинтезу. Фотосинтез відбувається в три етапи. Перший — уловлювання світлової енергії; другий — перетворення її на енергію хімічних зв’язків і третій — запасання цієї енергії шляхом синтезу вуглеводів. Ці етапи розділяють на дві фази.

Перший та другий етапи відбуваються лише на світлі, а тому вони отримали назву світлова фаза фотосинтезу. Вона відбувається в тилакоїдах (іл. 18.4).

Іл. 18.4. Рівні перебігу фотосинтезу: а — листок; б — клітина; в — хлоропласт; г — тилакоїд; д — фотосистеми

Кванти світла поглинаються хлорофілом світозбиральних комплексів. Вони збуджують електрони хлорофілів, що легко переходять на більш високий енергетичний рівень. У результаті молекули хлорофілу втрачають електрони, які надходять до молекул хлорофілу реакційного центру, а далі — до ферментів, що формують транспортний ланцюг електронів, рухаючись яким електрони віддають енергію в окисно-відновлювальних реакціях. У результаті з АДФ і Н3РO4 синтезується АТФ (відбувається фотофосфорилювання).

Молекула хлорофілу, віддавши свій електрон, окиснюється. У результаті в ній виникає електронна недостатність, яку необхідно компенсувати. Для цього використовуються молекули води. Виявляється, що під впливом сонячного світла, за участі особливих ферментів і з використанням енергії, отриманої в результаті фотофосфорилювання, рослини здатні здійснювати фотоліз (грец. фотос — світло, лізис — розпад), тобто проводити реакцію дисоціації води, під час якої виділяються Оксиген, а атоми Гідрогену розпадаються на протони й електрони (1).

2Н2O + 4е —> 4Н + O2 (1)

Отримані під час фотолізу електрони компенсують їх нестачу в молекулах хлорофілу, йони Н+ приймають участь у синтезі енергоємних сполук клітини, енергія яких використовується для синтезу АТФ, а Оксиген у вільному вигляді виділяється у воду чи повітря.

У роботі ФС-І й ФС-ІІ є певні відмінності. Головною слід вважати ФС-ІІ, у якій відбувається не лише фотофосфорилювання, а й фотоліз, тому тут вивільняється Оксиген. Таким чином, у результаті світлової стадії фотосинтезу за рахунок світлової енергії синтезуються енергоємні речовини, зокрема АТФ, у яких запасається енергія для майбутнього синтезу, а також, як побічний продукт реакції, виділяється Оксиген (2).

Н2O + АДФ + Н3РO4 + енергія сонця —> АТФ + O2 (2)

Третій етап фотосинтезу триває в рослин постійно і не потребує світла. Його називають темповою фазою фотосинтезу. Відбувається він у стромі хлоропластів (іл. 18.5).

Іл. 18.5. Етапи фотосинтезу:

світлова фаза (відбувається в тилакоїдах хлоропластів з розкладанням вуглекислого газу під дією сонячного світла, її наслідком є накопичення енергії у вигляді АТФ та вивільнення Оксигену);

темпова фаза (відбувається у стромі хлоропластів з використанням енергії АТФ, вуглекислого газу й води, внаслідок чого відбувається синтез глюкози)

Ключовим моментом цієї фази є поглинання вуглекислоти з повітря і зв’язування її в хімічні сполуки. Кінцевим продуктом цього процесу є утворення молекул глюкози (3). Цей процес відбувається з витратами енергії, а тому потребує участі молекул АТФ, синтезованих під час світлової фази фотосинтезу, та йонів Гідрогену, які утворили комплекс з енергоємними сполуками клітини.

СO2 + АТФ —> С6Н12О6 + АДФ (3)

Отже, загалом хімічну суть фотосинтезу може описати рівняння (4)

6СO2 + 6Н2O = С6Н12O6 + 6O2 (4)

Використання глюкози, що утворюється під час фотосинтезу. Вона витрачається або безпосередньо як джерело енергії, або накопичується як енергетичний резерв у вигляді сахарози чи крохмалю. Це залежить від фізіологічного стану рослини, її віку і сезону. Далі рослини, використовуючи енергію накопичених вуглеводів, а також різноманітні органічні кислоти й сполуки Нітрогену, утворюють всі необхідні для життя речовини: полісахариди, амінокислоти, вітаміни, білки, ліпіди, нуклеотиди.

Цим рослини принципово відрізняються від тварин, які не здатні самі синтезувати всі необхідні для життя речовини, а можуть лише отримувати вже готові органічні речовини з їжею.

Фотосинтез — це процес поглинання рослинами та деякими бактеріями світлової сонячної енергії та перетворення її на енергію хімічних зв’язків.