Де відбувається фотосинтез

Фотосинтез — це процес утворення живими організмами органічних речовин з неорганічних з використанням енергії світла. Фотосинтез здійснюють як одноклітинні живі організми (ціанобактерії та водорості), так і багатоклітинні (водорості та наземні рослини). Фотосинтез може відбуватися в усіх частинах організму, що містять хлоропласти.

Мал. 16.1. Схема фотосинтезу

У клітинах рослин процес фотосинтезу відбувається в хлоропластах. Предками хлоропластів були прокаріотичні ціанобактерії. Ці бактерії перетворилися на хлоропласти, коли утворили симбіоз із еукаріотичними клітинами і стали жити всередині них. Крім хлоропластів існують також інші типи пластид — хромопласти й лейкопласти. Але фотосинтез у них не відбувається.

У результаті фотосинтезу з вуглекислого газу (СО2) й води (Н2O) за допомогою сонячної енергії утворюються вуглеводи (С6Н1206):

Цей процес складається з двох основних фаз — світлової і темнової (мал. 16.1).

Процеси світлової фази фотосинтезу

У ході світлової фази спочатку кванти світла вловлюються пігментом хлорофілом, який розташований на мембранах тилакоїдів. Енергія квантів переходить до електронів, які захоплюються молекулами-переносниками. Енергія цих електронів використовується в тилакоїдах для синтезу АТФ. Втрачені електрони заміняються електронами, які утворюються в результаті розщеплення (фотолізу) води під дією світла. Сумарне рівняння фотолізу води можна представити так:

де e- — електрон.

Кисень виділяється як побічний продукт реакції, а протони Н+ підхоплюються молекулами-переносниками НАДФ (нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат). Приєднуючи до себе протони, вони стають акумуляторами енергії (НАДФ • Н2) і використовуються у темновій фазі для синтезу вуглеводів.

Таким чином, результатом світлової фази фотосинтезу є утворення кисню, синтез АТФ та відновлення НАДФ.

Процеси темнової фази фотосинтезу

Темнова фаза фотосинтезу відбувається в стромі хлоропластів. Сукупність реакцій, які задіяні в цьому процесі, називається циклом Кальвіна. В них за участі вуглекислого газу, що надходить ззовні, та продуктів світлової фази фотосинтезу НАДФ • Н2 і АТФ утворюються молекули глюкози.

Ця фаза називається темновою не тому, що відбувається в темряві. У більшості рослин вона відбувається вдень. Така назва означає лише те, що світло безпосередньо не бере в ній участі.

Біологічне значення та планетарна роль фотосинтезу

Процес фотосинтезу є основним способом утворення органічних речовин на нашій планеті. За рік фотосинтезуючі організми утворюють понад 150 млрд тонн органічних речовин. Фотосинтез також забезпечує надходження в атмосферу кисню (щорічно до 200 млрд тонн), який живі організми використовують у процесах дихання.

Наслідком фотосинтезу стало формування великої кількості корисних копалин.

Ще один наслідок фотосинтезу — озоновий шар. Він являє собою тонкий прошарок нашої атмосфери, що утворюється з кисню під дією сонячного випромінювання. Наявність цього шару різко знижує кількість ультрафіолетових променів, які надходять до поверхні планети. Це вберігає живі організми від можливих негативних наслідків (суттєво знижує ризик пошкодження молекул ДНК у клітинах).

Біологічне значення та планетарна роль клітинного дихання

Фотосинтез є дуже важливим процесом не тільки для рослин, але і для інших живих організмів. Він постачає кисень, який організми можуть використовувати для вироблення енергії. Вона організмам потрібна постійно: навіть коли організм спить, у ньому відбувається безліч процесів. Утворюються нові речовини й руйнуються старі, відбувається процес росту й поділу клітин, серце продовжує гнати кров по судинах — усе це потребує витрат енергії, яка утворюється внаслідок процесу клітинного дихання. Саме завдяки клітинному диханню живим організмам вдається підтримувати високий рівень життєдіяльності. Наприклад, воно дозволяє тюленям і білим ведмедям виробляти достатньо тепла, щоб виживати в суворих умовах Арктики.

Мал. 16.2. Взаємозв'язок фотосинтезу та клітинного дихання

Надзвичайно важливою є планетарна роль дихання. Зелені рослини безперервно виробляють кисень, і підтримувати його вміст в атмосфері на потрібному рівні можливо тільки завдяки процесам клітинного дихання (мал. 16.2). Якщо рівновага між виробництвом та споживанням кисню порушиться, то це може призвести до катастрофічних наслідків для всієї планети.

Як нестача, так і надлишок кисню в атмосфері призведе до масової загибелі організмів. Його нестача буде причиною задухи, а надлишок спричинить кисневе отруєння організмів.

Для того щоб забезпечити процес фотосинтезу молекулами вуглекислого газу (СO2), рослинам потрібно відкривати продихи на листках. Але в жаркому кліматі це призводить до надмірних витрат ними води. Тому рослини з родин Товстянкові й Кактусові вночі накопичують цей газ у своїх клітинах у вигляді певних сполук, а вдень використовують його для фотосинтезу. Цей тип фотосинтезу має назву САМ-метаболізм (у перекладі з англійської — метаболізм за типом товстянкових).