§ 20. ФОТОСИНТЕЗ: СВІТЛОВА ТА ТЕМНОВА ФАЗИ

Основні поняття й ключові терміни: ФОТОСИНТЕЗ. Хлорофіл. Світлова фаза. Темнова фаза.

Пригадайте! Що таке пластичний обмін?

Поміркуйте!

Зелений колір досить часто згадується у віршах поетів. Так, у Богдана-Ігоря Антонича є рядки: «...поезії кипучої і мудрої, мов зелень», «.завія зелені, пожежа зелені», «...рослинних рік підноситься зелена повінь». Зелений колір - це колір оновлення, символ молодості, спокою, колір природи. А чому рослини зелені?

ЗМІСТ

Якими є умови фотосинтезу?

Фотосинтез (від грец. фото - світло, синтезіс - поєднання) - надзвичайно складна сукупність процесів пластичного обміну. Науковці виокремлюють три типи фотосинтезу: кисневий (з виділенням молекулярного кисню у рослин й ціанобактерій), безкисневий (за участі бактеріохлорофілів в анаеробних умовах без виділення кисню у фотобактерій) та безхлорофільний (за участі бактеріородопсинів у архей). На глибині 2,4 км виявлено зелені сіркобактерії GSB1, які замість сонячного світла використовують слабкі промені чорних курців. Але, як писав К. Свенсон у монографії, присвяченій клітинам: «Первинним джерелом енергії для живої природи є та частка енергії, яку називають видимим світлом».

Найпоширенішим у живій природі є кисневий фотосинтез, для якого потрібні енергія світла, вуглекислий газ, вода, ферменти та хлорофіл. Світло для фотосинтезу поглинається хлорофілом, вода доставляється в клітини крізь пори клітинної стінки, вуглекислий газ надходить в клітини шляхом дифузії.

6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + O2↑

Основними фотосинтезуючими пігментами є хлорофіли. Хлорофіли (від грец. хлорос - зелений і філон - листок) - зелені пігменти рослин, за участі яких відбувається фотосинтез. Зелений колір хлорофілу є пристосуванням для поглинання синіх променів і частково червоних. А зелені промені відбиваються від тіла рослин, потрапляють на сітківку ока людини, подразнюють колбочки і спричиняють кольорові зорові відчуття. Ось чому рослини зелені!

Окрім хлорофілів у рослин є допоміжні каротиноїди, у ціанобактерій та червоних водоростей - фікобіліни. Зелені й пурпурні бактерії містять бактеріохлорофіли, що поглинають сині, фіолетові і навіть інфрачервоні промені.

Фотосинтез відбувається у вищих рослин, водоростей, ціанобактерій, деяких архей і одноклітинних твариноподібних, тобто в організмів, відомих як фотоавтотрофи. Фотосинтез у рослин здійснюється в хлоропластах, у ціанобактерій та фотосинтезуючих бактерій - на внутрішніх впинаннях мембран з фотопігментами.

Отже, ФОТОСИНТЕЗ - процес утворення в клітинах фотоавтотрофних організмів органічних сполук із неорганічних з використанням світлової енергії та за участі фотосинтезуючих пігментів.

Які особливості світлової й темнової фаз фотосинтезу?

У процесі фотосинтезу виокремлюють дві стадії - світлову і темнову фази (іл. 49).

Іл. 49. Схема фотосинтезу

Світлова фаза фотосинтезу відбувається в гранах хлоропластів за участі світла. Ця стадія розпочинається з моменту поглинання квантів світла молекулою хлорофілу. При цьому електрони атома Магнію в молекулі хлорофілу переходять на вищий енергетичний рівень, нагромаджуючи потенціальну енергію. Значна частина збуджених електронів передає її іншим хімічним сполукам для утворення АТФ та відновлення НАДФ (нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат). Ця сполука з такою довгою назвою є універсальним біологічним переносником Гідрогену в клітині. Під дією світла відбувається процес розкладу води - фотоліз. При цьому утворюються електрони (е-), протони (Н+) і як побічний продукт молекулярний кисень. Протони Гідрогену Н+, приєднуючи електрони з високим енергетичним рівнем, перетворюються на атомарний Гідроген, що використовується для відновлення НАДФ+ до НАДФ • Н. Таким чином, основними процесами світлової фази є: 1) фотоліз води (розщеплення води під дією світла з утворенням кисню); 2) відновлення НАДФ (приєднання до НАДФ атома Гідрогену); 3) фотофосфорилювання (утворення АТФ з АДФ).

Отже, світлова фаза - сукупність процесів, які забезпечують утворення молекулярного кисню, атомарного водню та АТФ за рахунок світлової енергії.

Темнова фаза фотосинтезу відбувається в стромі хлоропластів. Її процеси не залежать від світла і можуть протікати як на світлі, так і в темряві, залежно від потреб клітини в глюкозі. Основою темнової фази є циклічні реакції під назвою циклу фіксації вуглекислого газу, або циклу Кальвіна. Цей процес вперше вивчив американський біохімік Мелвін Кальвін (1911-1997), лауреат Нобелівської премії з хімії (1961). У темновій фазі з вуглекислого газу, Гідрогену від НАДФ та енергії АТФ синтезується глюкоза. Реакції фіксації СО2 каталізує рибулозобісфосфаткарбоксилаза (Rubisco), що є найпоширенішим ферментом на Землі.

Отже, темнова фаза - сукупність циклічних реакцій, які завдяки хімічній енергії АТФ забезпечують утворення глюкози з використанням вуглекислого газу, що є джерелом Карбону, та води, що є джерелом Гідрогену.

У чому полягає планетарна роль фотосинтезу?

Значення фотосинтезу для біосфери важко переоцінити. Саме завдяки цьому процесові світлова енергія Сонця перетворюється фотоавтотрофами в хімічну енергію вуглеводів, які в загальному дають первинну органічну речовину. З неї починаються ланцюги живлення, якими енергія передається гетеротрофним організмам. Рослини слугують кормом травоїдним тваринам, які отримують за рахунок цього необхідні поживні речовини. Потім травоїдні тварини стають їжею для хижаків, їм також необхідна енергія, без якої життя неможливе.

Тільки незначна частина енергії Сонця вловлюється рослинами й використовується для фотосинтезу. Енергія Сонця в основному йде на випаровування і підтримання температурного режиму земної поверхні. Отже, тільки близько 40-50 % енергії Сонця проникає в біосферу, і лише 1-2 % сонячної енергії переводиться у синтезовану органічну речовину.

Зелені рослини та ціанобактерії впливають на газовий склад атмосфери. Весь кисень сучасної атмосфери є продуктом фотосинтезу. Формування атмосфери повністю змінило стан земної поверхні, зробило можливим появу аеробного дихання. Надалі в процесі еволюції, після утворення озонового шару, живі організми здійснили вихід на суходіл. Крім того, фотосинтез перешкоджає нагромадженню СО2, захищає планету від перегрівання.

Отже, фотосинтез має планетарне значення, забезпечуючи існування живої природи планети Земля.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Завдання на порівняння

За допомогою таблиці порівняйте фотосинтез із аеробним диханням та зробіть висновок про взаємозв’язок пластичного й енергетичного обміну в клітинах рослин.

ПОРІВНЯЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ФОТОСИНТЕЗУ І АЕРОБНОГО ДИХАННЯ

Завдання на застосування знань

Розпізнайте і назвіть рівні організації процесу фотосинтезу у рослин. Назвіть пристосування рослинного організму до фотосинтезу на різних рівнях його організації.

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Література

К. А. Тимірязєв (1843-1920), один із найвідоміших дослідників фотосинтезу, є автором рядків: «Мікроскопічне зелене зерно хлорофілу є фокусом, точкою у світовому просторі, в яку з одного кінця притікає енергія Сонця, а з іншого беруть початок всі прояви життя на Землі. Воно справжній Прометей, який викрав вогонь з неба. Викрадений ним промінь сонця горить і в мерехтливій безодні, і в сліпучій іскрі електрики. Промінь сонця надає руху і маховику гігантської парової машини, і пензлю художника, і перу поета». Застосуйте свої знання й доведіть твердження про те, що промінь Сонця надає руху перу поета.

РЕЗУЛЬТАТ

скачать dle 11.0фильмы бесплатно

 

Даний матеріал відноситься до підручника "Біологія 9 клас Соболь (нова програма)", створено завдяки МІНІСТЕРСТУ ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ (МОН)