Фотосинтез

Особенности строения растений и их органов, основные ботанические термины с фотоиллюстрациями.

Модератор: Флориана

Ответить
Аватара пользователя

Автор темы
Malena22
Модератор
Сообщения: 514
Зарегистрирован: 20 июн 2018, 09:32
Награды: 7
Откуда: Казахстан, Рудный

Фотосинтез

#1

Сообщение Malena22 »

Фотосинтез
Климент Аркадьевич Тимирязев писал:
«Когда-то, где-то на Землю упал луч солнца, но он упал не на бесплодную почву, он упал на зеленую былинку пшеничного ростка, или, лучше сказать, на хлорофилловое зерно. Ударяясь о него, он потух, перестал быть светом, но не исчез. В той или другой форме он вошел в состав хлеба, который послужил нам пищей. Он преобразился в наши мускулы, в наши нервы. И вот теперь атомы углерода стремятся в наших организмах вновь соединиться с кислородом, который кровь разносит во все концы нашего тела. При этом луч солнца, таившийся в них в виде химического напряжения, вновь принимает форму явной силы. Этот луч солнца согревает нас. Он приводит нас в движение. Быть может, в эту минуту он играет в нашем мозгу.»

Фотосинтез (от др.-греч. φῶς — «свет» и σύνθεσις — «соединение», «складывание», «связывание», «синтез») — сложный химический процесс преобразования энергии видимого света (в некоторых случаях инфракрасного излучения) в энергию химических связей органических веществ при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл у бактерий и бактериородопсин у архей).

Жизнь любого живого организма начинается с питания. Питательные вещества – это будущая энергия для жизни и строительный материал для клеток тела. Большинство бактерий, грибы и животные получают для питания готовые органические вещества. Растения готовят их самостоятельно – в процессе фотосинтеза.
Первые живые организмы на Земле – бактерии - были анаэробными гетеротрофами. То есть они жили в бескислородной среде и питались готовыми органическими веществами, которых на заре жизни на нашей планете было в избытке.
Однако к концу Архейской эры ситуация кардинально изменилась. Питательных веществ становилось всё меньше и возникла срочная необходимость их получения из неорганических соединений. Тогда, скорее всего, и появился фотосинтез – процесс синтеза сложных органических соединений из углекислого газа и воды.

Первичные продукты фотосинтеза – моносахариды (глюкоза), карбоновые кислоты, аминокислоты. При их полимеризации образуются крахмал, целлюлоза, белки, липиды. То есть жизнь любого живого организма сегодня на планете зависит от фотосинтеза. Разберем историю его открытия, суть процесса и реакции, которые протекают в разных фазах фотосинтеза.
Аватара пользователя

Автор темы
Malena22
Модератор
Сообщения: 514
Зарегистрирован: 20 июн 2018, 09:32
Награды: 7
Откуда: Казахстан, Рудный

Фотосинтез

#2

Сообщение Malena22 »

История открытия фотосинтеза
В настоящее время школьники впервые знакомятся со сложными процессами фотосинтеза уже начальной школе. Но еще 300-400 лет назад ответ на вопрос «Как питаются растения?» занимал умы ученых во всем мире. Первым и очевидным ответом было предположение, что из почвы. Однако, в далеком 1600 году фламандский ученый Ян Баптиста ван Гельмонт решил проверить влияние почвы на рост растений и провел уникальный в своей простоте опыт.
Естествоиспытатель взял веточку ивы и бочку с почвой. Предварительно их взвесил. А затем посадил отросток ивы в бочку с почвой. Долгие пять лет ван Гельмонт поливал молодое деревце чистой дождевой водой. А через пять лет выкопал деревце, и вновь взвесил отдельно деревце и отдельно почву. Весы показали, что деревце увеличило свой вес практически в тридцать раз, а вес почвы уменьшился всего на 56 граммов.
Ученый сделал вывод, что почва практически не дает строительного материала растениям, а все необходимые вещества растение получает из воды. После ван Гельмонта различные ученые повторили его опыт, и сложилась так называемая «водная теория питания растений».
Изображение

Одним из тех, кто попытался возразить этой теории, был Михаил Васильевич Ломоносов. И строил он свои возражения на том, что на пустых, скудных северных землях с редкими дождями растут высокие, мощные деревья. Михаил Васильевич предположил, что часть питательных веществ растения впитывают через листья, но доказать свою теорию экспериментально он не смог.
И как часто бывает в науке, помог его величество случай. Однажды нерадивая мышь, решившая поживиться церковными запасами, случайно перевернула банку и оказалась в ловушке. И через некоторое время погибла. Эту мышь в банке обнаружил Джозеф Пристли, священник, а по совместительству ученый - химик, который очень интересовался химией газов и способами очистки испорченного воздуха. И церковные мыши стали участницами различных опытов английского ученого.
Джозеф Пристли ставил под одну банку горящую свечу, а в другую сажал мышь. Свеча тухла, грызун погибал. Пристли сделал вывод, что раз все живое на Земле до сих пор не погибло, значит Бог придумал некий процесс, чтобы воздух вновь был пригоден для жизни. И, скорее всего, основная роль в нем принадлежит растениям.
Чтобы доказать это, ученый взял воздух из банки где погибла мышь, и разделил его на две части. В одну банку он поставил мяту в горшочке. Через несколько дней растение не только не погибло, а даже выпустило несколько новых побегов. И он опять посадил грызунов в банки. В той, где росла мята — мышь была бодра и закусывала листиками. А в той, где мяты не было, мышь погибала практически сразу. Именно эти опыты положили начало изучению процесса фотосинтеза.

Изображение
Так постепенно складывались представления о фотосинтезе как о процессе, в ходе которого из углекислого газа и воды зеленые растения на свету образуют органические вещества и выделяют кислород:
6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2
Термин «фотосинтез» был предложен в 1877 году немецким физиологом растений Вильгельмом Пфеффером.
Во второй половине XIX века было установлено, что энергия солнечного света усваивается и трансформируется при помощи зеленого пигмента хлорофилла. Большой вклад в изучение роли растительных пигментов внесли русские ученые – основоположник петербургской школы физиологов растений Андрей Сергеевич Фаминцын и его ученик Климент Аркадьевич Тимирязев, исследовавшие спектры поглощения хлорофилла, влияние света на образование хлорофилла, его расположение в листьях различных растений.
А. С. Фаминцын впервые экспериментально доказал и научно обосновал применение искусственного освещения для выращивания растений, использовав керосиновые лампы вместо солнечного света.

Источник иллюстраций:
В. А. Корчагина "Биология, 6-7 класс", учебник. Москва, "Просвещение", 1993 г.
Аватара пользователя

Автор темы
Malena22
Модератор
Сообщения: 514
Зарегистрирован: 20 июн 2018, 09:32
Награды: 7
Откуда: Казахстан, Рудный

Фотосинтез

#3

Сообщение Malena22 »

Фазы фотосинтеза
Фотосинтез — это превращение энергии света в энергию сложных химических связей органических веществ при участии фотосинтетических пигментов. У растений фотосинтез происходит в хлоропластах – зеленых пластидах, содержащих пигмент хлорофилл. Хлорофилл – сложное органическое вещество, в центре его молекулы расположен атом магния.

Изображение
Источник иллюстрации: В. А. Корчагина "Биология, 6-7 класс", учебник. Москва, "Просвещение", 1993

Процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой. Световая (светозависимая) фаза происходит с участием квантов света и хлорофилла. Название «темновая» фаза вовсе не означает, что процесс происходит в темноте. Более точное определение — светонезависимая. То есть для реакций, происходящих в этой фазе, свет не нужен, а протекает она одновременно со световой, только в других частях хлоропласта.

Многие делают ошибку, говоря, что в процессе фотосинтеза происходит производство растениями такого необходимого человеку кислорода. На самом деле фотосинтез — это синтез углеводов, а кислород - лишь побочный продукт химических реакций.

Изображение
Источник иллюстрации: В. В. Кузнецов, Г. А. Дмитриева "Физиология растений", том 1, учебник для вузов, Москва - Юрайт 2024 г.

Хлорофилл внутри хлоропласта находится в специальных «мешочках» – тилакоидах. Тилакоиды представляют собой мембраны и напоминают диски, сложенные стопками. Одна такая стопка называется грана. И именно на этих мембранах происходит световая фаза фотосинтеза. Кванты света, попадая на хлорофилл, вызывают его возбуждение и переход электронов на более высокие энергетические уровни. В результате происходи фотолиз (расщепление) воды:
2Н2О → 4Н+ + О2

Кислород выделяется в атмосферу, протоны водорода накапливаются на внутренней мембране хлоропласта, образующих тилакоиды. Когда количество протонов водорода и электронов достигает максимума, запускается специальный переносчик — АТФ-синтаза. АТФ-синтаза выталкивает протоны водорода в строму хлоропласта, где их подхватывает НАДФ — специфический переносчик протонов водорода в реакциях углеводов. Прохождение протонов водорода через АТФ-синтазу сопровождается фотофосфорилированием - синтезом молекул АТФ из АДФ и фосфата. На этом световая фаза фотосинтеза заканчивается, а НАДФ Н+ и АТФ переходят в темновую фазу.

Темновая фаза фотосинтеза — совокупность ферментативных реакций, которые происходят в строме хлоропласта. Результатом таких реакций является восстановление до глюкозы поглощенного СО2 при помощи НАДФ Н+ и АТФ из световой фазы.
В настоящее время учеными открыто три различных варианта реакций, протекающих в темновую фазу фотосинтеза. В зависимости от метаболизма растения делят на:
1. С3-растения — большинство растений, произрастающих в умеренном климате. Фотосинтез происходит только в клетках основной ткани мякоти листа.
2. С4-растения — растения тропиков и субтропиков, растущие в условиях более сухого и жаркого климата. Реакции фотосинтеза у С4-растений идут как в клетках основной ткани, так и в клетках обкладки сосудистых пучков.
В природе не существует ничего бессмысленного или излишнего. Произрастание в условиях ограниченного водоснабжения привело к снижению транспирации (испарения воды) для уменьшения потерь воды, что в свою очередь привело к дефициту углекислого газа и необходимости его концентрации в клетках обкладки.
3. САМ-растения — особый тип С4-фотосинтеза у растений, испытывающих дефицит влаги.

Реакции С3-фотосинтеза, присущие большинству растений, носят название цикла Кальвина. Мелвин Кальвин, американский химик, в 1961 году за определение последовательности реакций при усвоении СО2 был удостоен Нобелевской премии в области химии. Для образования одной молекулы глюкозы цикл Кальвина должен повториться 6 раз, то есть должно усвоиться 6 молекул углекислого газа.

В ходе дальнейших исследований было установлено, что у некоторых тропических и субтропических растений синтез углеводов идет другим путем. И в 1966 году австралийские ученые М. Хетч и К. Слэк описали С4-фотосинтез, который в их честь называется циклом Хетча-Слэка.
Также существует еще один уникальный механизм фотосинтеза, характерный для суккулентов. Он носит название «САМ (crassulaceae acid metabolism) - фотосинтез». Химические реакции напоминают путь метаболизма С4, однако здесь химические реакции разделены не в пространстве, а во времени. Для сохранения влаги днем растения закрывают устьица. Вместе с транспирацией в таком случае значительно сокращаются днем процессы поглощения и выделения газов. Углекислый газ накапливается в растениях в темное время суток.
Протекание фотосинтетических реакций в таком варианте позволяет растениям осуществлять процесс фотосинтеза в условиях значительного дефицита влаги. Считается, что данный путь фотосинтеза сформировался самым последним в ходе эволюции.
Информация и иллюстрации из источников:
В. А. Корчагина "Биология, 6-7 класс", учебник. Москва, "Просвещение", 1993 г.
Ковшарь А, Асанов Н., "Биология", учебник 11 класс, 1 часть. Казахстан, Атамұра, 2020 г.
В. В. Кузнецов, Г. А. Дмитриева "Физиология растений", том 1, учебник для вузов, Москва - Юрайт 2024 г.
В. И. Артамонов "Занимательная физиология растений", Москва ВО "Агропромиздат, 1991 г.
Аватара пользователя

Автор темы
Malena22
Модератор
Сообщения: 514
Зарегистрирован: 20 июн 2018, 09:32
Награды: 7
Откуда: Казахстан, Рудный

Фотосинтез

#4

Сообщение Malena22 »

Идеальные условия для фотосинтеза
Фотосинтез – самый массовый биохимический процесс на Земле, энергетическая основа всего живого на планете. Растениями вырабатываются уникальные приспособительные механизмы к различным условиям существования: от засушливых пустынь до морских глубин.
У красных водорослей, живущих в океане на глубине до 200 м, в клетках содержится большое количество красных пигментов, улавливающих даже самое минимальное количество солнечного света.
Высшие растения, живущие в условиях наземно-воздушной среды обитания, приобрели механическую ткань, необходимую для роста вверх, к солнцу. Листья – основной орган фотосинтеза - имеют широкую плоскую листовую пластинку и черешки для поворота к свету. Прозрачная покровная ткань листа не только защищает от повреждений, но и отлично пропускает световые лучи. Через устьица растение поглощает углекислый газ, выделяет кислород.
Фотосинтезирующая ткань листа у большинства растений представлена столбчатой паренхимой (ближе к верхней кожице, к свету) и губчатой – здесь клетки лежат рыхло, в межклетниках запасается углекислый газ. Движение воды идет в двух направлениях – от корня вверх по сосудам поступают растворенные минеральные вещества; из листьев – вниз по ситовидным трубкам органические вещества, образовавшиеся в процессе фотосинтеза.

Изображение
Источник иллюстрации: Ковшарь А, Асанов Н., "Биология", учебник 11 класс, 1 часть. Казахстан, Атамұра, 2020 г.

Итак, растениям для фотосинтеза нужны вода, углекислый газ и свет. Кроме того, такие факторы, как температура и минеральное питание, влияют на функционирование растений и, следовательно, на идеальные условия для фотосинтеза. Растению создаются идеальные условия для фотосинтеза, когда оно получает только нужное количество необходимых ему веществ: воды, углекислого газа и солнечного света.
Слишком мало света, воды, углекислого газа может быть ограничивающим фактором для фотосинтеза, вызывая замедление или даже остановку фотосинтеза в растениях. С другой стороны, чрезмерный свет, вода или температура могут повредить хрупкие листья растений, что приведет к увяданию или даже некрозу, то есть гибели растительных клеток.
Точно так же, как животные едят и дышат, растения осуществляют фотосинтез и дышат. Дыхание - это процесс, противоположный фотосинтезу.
Питательные вещества, полученные в результате фотосинтеза, тратятся на рост, получение и запасание энергии клеток. Фотосинтез у большинства растений происходит только днем, дыхание - и днем, и ночью. Люди, стремящиеся создать идеальные условия для фотосинтеза, должны найти идеальный баланс между фотосинтезом и дыханием, на которые влияет множество факторов, взаимодействующих друг с другом.

Свет - одна из важнейших составляющих, влияющих на скорость фотосинтеза. Ограничивающим фактором может быть прежде всего недостаток света, в квартирах и теплицах необходимо использовать дополнительное освещение. Растению создаются идеальные условия для фотосинтеза, когда оно получает от 12 до 16 часов света в сутки; однако это общая цифра, и некоторым видам растений потребуется больше или меньше часов солнечного света для роста и цветения. Есть длиннодневные, есть короткодневные растения, но любым требуется темное время суток для активизации дыхания и запасания энергии.

Вода и углекислый газ являются необходимыми факторами для процесса фотосинтеза. Фотосинтез ограничен, когда растения испытывают засуху, но слишком большое количество воды также может стать проблемой.
Идеальное количество воды зависит от конкретного растения, его потребности в воде. Нельзя поливать растение всегда «один раз в неделю» или «каждый день». Нужно – после просыхания верхнего слоя грунта.
Углекислый газ, необходимый для синтеза глюкозы, растения поглощают из воздуха. На открытом воздухе концентрация углекислого газа сегодня составляет около 400 частей на миллион; растения могут расти при уровне углекислого газа до 800-1000 частей на миллион, поэтому производители теплиц часто добавляют дополнительный углекислый газ для увеличения роста растений. В квартире обязательны проветривания, обеспечивающие постоянный приток свежего воздуха.

Температура играет важную роль в фотосинтезе, регулирует активность ферментов и скорость диффузии углекислого газа. При минимальных температурах медленно идет темновая фаза фотосинтеза, при максимальных инактивируются (перестают работать) ферменты.
В умеренном климате вечнозеленые хвойные растения могут фотосинтезировать при температуре -2…-7, остальные – при положительной температуре. Большинство растений при температуре выше +35°С снижают скорость фотосинтеза из-за закрытия устьиц. Более высокие температуры могут разрушить структуру хлоропластов. Высокая температура также увеличивает частоту дыхания растений. Это, в свою очередь, влияет на скорость фотосинтеза.

Фотосинтез – процесс, управляя которым, человек может вырастить красивые здоровые растения, собрать большой урожай сельскохозяйственных культур. И получить удовольствие от понимания основного процесса, обеспечивающего жизнь на Земле.

Изображение
Ответить

Вернуться в «Ботанический букварь»