Где происходит фотосинтез

Фотосинтез — это процесс образования живыми организмами органических веществ из неорганических с использованием энергии света. Фотосинтез осуществляют как одноклеточные организмы (цианобактерии и водоросли), так и многоклеточные (водоросли и наземные растения). Фотосинтез может происходить во всех частях организма, содержащих хлоропласты.

В клетках растений процесс фотосинтеза происходит в хлоропластах. Предками хлоропластов были прокариотические цианобактерии. Эти бактерии превратились в хлоропласты, когда вступили в симбиоз с эукариотическими клетками и поселились внутри них. Кроме хлоропластов существуют и другие типы пластид — хромопласты и лейкопласты. Но фотосинтез в них не происходит.

Рис. 16.1. Схема фотосинтеза

В результате фотосинтеза из углекислого газа (СO2) и воды (Н2O) с помощью солнечной энергии образуются углеводы (С6Н12O6):

Этот процесс состоит из двух основных фаз — световой и темновой (рис. 16.1).

Процессы световой фазы фотосинтеза

В начале световой фазы кванты света улавливаются пигментом хлорофиллом, который находится на мембранах тилакоидов. Энергия квантов света переходит на электроны, которые захватываются молекулами-переносчиками. Энергия этих электронов используется в тилакоидах для синтеза АТФ. Утраченные электроны заменяются электронами, образующимися в результате расщепления (фотолиза) воды под действием света. Суммарное уравнение фотолиза воды можно представить так:

где e- — электрон.

Кислород выделяется как побочный продукт реакции, а протоны Н+ подхватываются молекулами-переносчиками НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат). Присоединяя к себе протоны, они становятся аккумуляторами энергии (НАДФН2) и используются в темновой фазе для синтеза углеводов.

Таким образом, результатом световой фазы фотосинтеза является образование кислорода, синтез АТФ и восстановление НАДФ.

Процессы темновой фазы фотосинтеза

Темновая фаза фотосинтеза осуществляется в строме хлоропластов. Совокупность реакций, протекающих в этом процессе, называется циклом Кальвина. В нем с участием углекислого газа, поступающего извне, и продуктов световой фазы фотосинтеза НАДФН2 и АТФ образуются молекулы глюкозы.

Эта фаза называется темновой не потому, что происходит в темноте. У большинства растений она происходит днем. Такое название означает лишь то, что свет не принимает в ней непосредственного участия.

Биологическое значение и планетарная роль фотосинтеза

Процесс фотосинтеза является основным способом образования органических веществ на нашей планете. За год фотосинтезирующие организмы образуют более 150 млрд тонн органических веществ. Фотосинтез также обеспечивает поступление в атмосферу кислорода (ежегодно до 200 млрд тонн), который живые организмы используют в процессах дыхания (рис. 16.2).

Следствием фотосинтеза стало также формирование большого количества полезных ископаемых.

Еще одно следствие фотосинтеза — озоновый слой. Он представляет собой тонкий слой нашей атмосферы, который образуется из кислорода под действием солнечного излучения. Наличие этого слоя значительно ослабляет поток ультрафиолетовых лучей, достигающих поверхности планеты. Это предохраняет живые организмы от негативных последствий (значительно снижает риск повреждения молекул ДНК в клетках).

Рис. 16.2. Взаимосвязь фотосинтеза и клеточного дыхания

Биологическое значение и планетарная роль клеточного дыхания

Фотосинтез является очень важным процессом не только для растений, но и для других живых организмов. Он является источником кислорода, который организмы могут использовать для производства энергии.

Энергия организмам нужна постоянно: даже когда организм спит, в нем происходит множество процессов. Образуются новые вещества и разрушаются старые, растут и делятся клетки, сердце прокачивает кровь по сосудам — все это требует затрат энергии, которая образуется в результате процессов клеточного дыхания. Именно благодаря клеточному дыханию живым организмам удается поддерживать высокий уровень жизнедеятельности.

Например, оно позволяет тюленям и белым медведям вырабатывать достаточно тепла, чтобы выживать в суровых условиях Арктики.

Крайне важной является планетарная роль клеточного дыхания. Зеленые растения непрерывно производят кислород, и поддерживать его содержание в атмосфере на определенном уровне возможно только благодаря процессам клеточного дыхания. Если равновесие между производством и потреблением кислорода нарушится, то это может привести к катастрофическим последствиям для всей планеты.

Как недостаток, так и избыток кислорода в атмосфере приведет к массовой гибели организмов. Его недостаток будет причиной удушья, а избыток приведет к кислородному отравлению организмов.

Чтобы обеспечить доставку молекул углекислого газа (СO2) для фотосинтеза, растения открывают устьица на листьях. Но в жарком климате это приводит к большим потерям воды. Поэтому растения из семейств Толстянковые и Кактусовые ночью накапливают углекислый газ в своих клетках в виде определенных соединений, а днем используют его для фотосинтеза. Этот тип фотосинтеза называется CAM-метаболизм (в переводе с английского — метаболизм по типу толстянковых).

Фотосинтез происходит в хлоропластах и состоит из двух фаз — световой и темновой. В ходе световой фазы кванты света улавливаются пигментом хлорофиллом, и их энергия используется для синтеза АТФ. В темновой фазе фотосинтеза за счет АТФ и других продуктов световой фазы происходит фиксация молекул СO2 и образуются молекулы глюкозы. Живые организмы в процессе фотосинтеза кислород производят, а в ходе клеточного дыхания — потребляют. Эти процессы совместно обеспечивают благоприятные условия для существования на Земле живых организмов.