Фотосинтез
Типы питания
По типу питания живые организмы делятся на автотрофы, гетеротрофы и миксотрофы. Автотрофы (греч. αὐτός — сам + τροφ — пища) — организмы, которые самостоятельно способны синтезировать органические вещества из неорганических. Гетеротрофы (греч. ἕτερος — иной + τροφή — пища) — организмы, использующие для питания готовые органические вещества.
Наконец, миксотрофы (греч. μῖξις — смешение + τροφή — пища) — организмы, которые могут использовать как гетеротрофный, так и автотрофный способ питания. К примеру, эвглена зеленая на свету начинает фотосинтезировать, а в темноте питается гетеротрофно.
Фотосинтез
Фотосинтез (греч. φῶς — свет и σύνθεσις — синтез) — сложный химический процесс преобразования энергии квантов света в энергию химических связей. В результате фотосинтеза происходит синтез органических веществ из неорганических.
Этот процесс уникален и происходит только в растительных клетках, а также у некоторых бактерий. Фотосинтез осуществляется при участии хлорофилла (греч. χλωρός — зелёный и φύλλον — лист) — зеленого пигмента, окрашивающего органы растений в зеленый цвет. Существуют и другие вспомогательные пигменты, которые вместе с хлорофиллом выполняют светособирающую или светозащитную функции.
Ниже вы увидите сравнение строения хлорофилла и гемоглобина. Обратите внимание, что в центре молекулы хлорофилла находится ион Mg.
В высшей степени гениально значение процесса фотосинтеза подчеркнул русский ученый К.А. Тимирязев: «Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа или, вернее, вне хлорофиллового зерна в природе не существует лаборатории, где бы выделялось органическое вещество. Во всех других органах и организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь из вещества неорганического»
Более подробно мы обсудим значение фотосинтеза в завершение этой статьи. Фотосинтез состоит из двух фаз: светозависимой (световой) и светонезависимой (темновой). Я рекомендую использовать названия светозависимая и светонезависимая, так как они способствуют более глубокому (и правильному!) пониманию фотосинтеза.
Светозависимая фаза (световая)
Эта фаза происходит только на свету на мембранах тилакоидов в хлоропластах. В ней принимают участие различные ферменты, белки-переносчики, молекулы АТФ-синтетазы и зеленый пигмент хлорофилл.
Хлорофилл выполняет две функции: поглощения и передачи энергии. При воздействии кванта света хлорофилл теряет электрон, переходя в возбужденное состояние. С помощью переносчиков электроны скапливаются с наружной поверхности мембраны тилакоидов, тем временем внутри тилакоида происходит фотолиз воды (разложение под действием света):
Гидроксид-ионы отдают лишний электрон, превращаясь в реакционно способные радикалы OH, которые собираются вместе и образуют молекулу воды и свободный кислород (это побочный продукт, который в дальнейшем удаляется в ходе газообмена).
Образовавшиеся при фотолизе воды протоны (H + ) скапливаются с внутренней стороны мембраны тилакоидов, а электроны — с внешней. В результате по обе стороны мембраны накапливаются противоположные заряды.
При достижении критической разницы, часть протонов проталкивается на внешнюю сторону мембраны через канал АТФ-синтетазы. В результате этого выделяется энергия, которая может быть использована для фосфорилирования молекул АДФ:
Протоны, попав на поверхность мембраны тилакоидов, соединяются с электронами и образуют атомарный водород, который используется для восстановления молекулы-переносчика НАДФ (никотинамиддинуклеотидфосфат). Благодаря этому окисленная форма — НАФД + превращается в восстановленную — НАДФ∗H2.
Предлагаю создать квинтэссенцию из полученных нами знаний. Итак, в результате светозависимой фазы фотосинтеза образуются:
- Свободный кислород O2 — в результате фотолиза воды
- АТФ — универсальный источник энергии
- НАДФ∗H2 — форма запасания атомов водорода
Кислород удаляется из клетки как побочный продукт фотосинтеза, он совершенно не нужен растению. АТФ и НАДФ∗H2 в дальнейшем оказываются более полезны: они транспортируются в строму хлоропласта и принимают участие в светонезависимой фазе фотосинтеза.
Светонезависимая (темновая) фаза
Светонезависимая фаза происходит в строме (матриксе) хлоропласта постоянно: и днем, и ночью — вне зависимости от освещения.
При участии АТФ и НАДФ∗H2 происходит восстановление CO2 до глюкозы C6H12O6. В светонезависимой фазе происходит цикл Кальвина, в ходе которого и образуется глюкоза. Для образования одной молекулы глюкозы требуется 6 молекул CO2, 12 НАДФ∗H2 и 18 АТФ.
Таким образом, в результате темновой (светонезависимой) фазы фотосинтеза образуется глюкоза, которая в дальнейшем может быть преобразована в крахмал, служащий для запасания питательных веществ у растений.
Значение фотосинтеза
Значение фотосинтеза невозможно переоценить. Уверенно утверждаю: именно благодаря этому процессу жизнь на Земле приобрела такие чудесные и изумительные формы, какие мы видим вокруг себя: удивительные растения, прекрасные цветы и самые разнообразные животные.
В разделе эволюции мы уже обсуждали, что изначально в составе атмосферы Земли не было кислорода: миллиарды лет назад его начали вырабатывать первые фотосинтезирующие бактерии — сине-зеленые водоросли (цианобактерии). Постепенно кислород накапливался, и со временем на Земле стало возможно аэробное (кислородное) дыхание. Возник озоновый слой, защищающий все живое на нашей планете от губительного ультрафиолета.
Говоря о роли фотосинтеза, выделим следующие функции, объединяющиеся в так называемую космическую роль растений. Итак, растения за счет фотосинтеза:
- Синтезируют органические вещества, являющиеся пищей для всего живого на планете
- Преобразуют энергию света в энергию химических связей, создают органическую массу
- Растения поддерживают определенный процент содержания O2 в атмосфере, очищают ее от избытка CO2
- Способствуют образованию защитного озонового экрана, поглощающего губительное для жизни ультрафиолетовое излучение
Хемосинтез (греч. chemeia – химия + synthesis — синтез)
Хемосинтез — автотрофный тип питания, который характерен для некоторых микроорганизмов, способных создавать органические вещества из неорганических. Это осуществляется за счет энергии, получаемой при окислении других неорганических соединений (железо- , азото-, серосодержащих веществ).
Хемосинтез был открыт русским микробиологом С.Н. Виноградским в 1888 году. Большинство хемосинтезирующих бактерий относится к аэробам, для жизни им необходим кислород.
При окислении неорганических веществ выделяется энергия, которую организмы запасают в виде энергии химических связей. Так нитрифицирующие бактерии последовательно окисляют аммиак до нитрита, а затем — нитрата. Нитраты могут быть усвоены растениями и служат удобрением.
Помимо нитрифицирующих бактерий, встречаются:
- Серобактерии — окисляют H2S —> S 0 —> (S +4 O3) 2- —> (S +6 O4) 2-
- Железобактерии — окисляют Fe +2 —>Fe +3
- Водородные бактерии — окисляют H2 —> H +1 2O
- Карбоксидобактерии — окисляют CO до CO2
Значение хемосинтеза
Хемосинтезирующие бактерии являются неотъемлемым звеном круговорота в природе таких элементов как: азот, сера, железо.
Нитрифицирующие бактерии обеспечивают переработку (нейтрализацию) ядовитого вещества — аммиака. Они также обогащают почву нитратами, которые очень важны для нормального роста и развития растений.
Усвоение нитратов происходит за счет клубеньковых бактерий на корнях бобовых растений, однако важно помнить, что клубеньковые (азотфиксирующие) бактерии, в отличие от нитрифицирующих бактерий, питаются гетеротрофно.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Источник
Автотрофное питание. Фотосинтез. Хемосинтез
Урок 23. Общая биология 10 класс (ФГОС)
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Автотрофное питание. Фотосинтез. Хемосинтез»
Автотрофы могут сами синтезировать необходимые им органические вещества, получая из окружающей среды углерод в виде углекислого газа, воду и минеральные вещества.
Все автотрофы делятся на: фотосинтезирующие автотрофы и хемосинтезирующие автотрофы.
У фотосинтезирующих автотрофов источником энергии служит солнечный свет.
Хемосинтезирующие автотрофы получают энергию при окислении неорганических соединений.
Фотосинтез — это процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических веществ на свету фотоавтотрофами при участии фотосинтетических пигментов.
Фотосинтезирующими органоидами зелёных растений являются хлоропласты. Структурной и функциональной единицей хлоропластов являются тилакоиды – плоские мембранные мешочки, уложенные в стопки (граны).
Внутреннее пространство тилакоида называется люменом.
Пространство между оболочкой хлоропласта и тилакоидами называется стромой.
Мембрана тилакоида собственно и является тем местом, где протекают светозависимые реакции фотосинтеза при участии хлорофилла.
Аналогично митохондриальной электроннотранспортной цепи, цепь переноса электронов фотосинтеза состоит из многих белковых комплексов и молекул перенощиков.
В цепи перенощиков выделяют следующие комплексы: фотосистему 2, цитохром Б шесть ЭФ -комплекс, фотосистему 1, фермент редоксин НАДФ редуктазу и АТФ-синтазу.
Фотосинтез происходит в две фазы – световую и темновую.
В световую фазу протекают реакции, которым необходим солнечный свет, в частности фотоны света. Поэтому эти реакции ещё называют светозависимыми реакциями фотосинтеза.
В темновую фазу фатоны светы не нужны. Однако эти реакции протекают как в светлое, так и в тёмное время суток.
Процесс фотосинтеза начинается с того что квант света ударяет молекулу хлорофилла (а II), которая находиться в фотосистеме 2.
Существует несколько видов молекул хлорофилла, которые различаются по длине волны улавливаемых квантов.
Основными «ловцами» световых частиц являются хлорофиллы а-1 (с длинной волны улавливаемых квантов 700 нм), который находится в фотоситеме 1 и хлорофилл а II (с длинной волны улавливаемых квантов 680 нм), который находится в фотосистеме 2.
Итак, после удара квантом света молекула хлорофилла приходят в возбуждённое состояние.
Что значит возбуждённое состояние?
(Согласно квантовой теории Эйнштейна свет состоит из мельчайших частиц, несущих порции энергии и обладающих импульсом — фотонов. Если фотон, с определённым количеством энергии столкнётся с электроном, то электрон может перейти на новый энергетический уровень. В результате чего молекула и оказывается в возбуждённом состоянии.
Эта энергия быстро мигрирует по светособирающей молекуле хлорофилла к реакционному центру фотосистемы.
(Реакционный центр — это комплекс белков, взаимодействие которых обеспечивает реакцию превращения энергии света в химическую при фотосинтезе.
После поглощения энергии, хлорофиллы испускают пару электронов. Которые передаются на перенощик пластохинон.
Теперь в молекуле хлорофилла недостает 2 электрона. Эти 2 электрона хлорофилл отбирает у молекулы воды, которая находиться во (внутритилакоидном) пространстве.
При этом происходит фотолиз (расщепление) молекул воды.
То есть молекула воды распадается отдаёт 2 электрона молекуле хлорофилла.
Посмотрим на реакции данного процесса (Фотолиза воды).
Благодаря фотонам света, молекула воды расщепляется на два иона (протон водорода и гидроксид-ион).
Ионы гидроксида отдают свои электроны, превращаясь в реакционноспособные радикалы OH.
Несколько радикалов объединяются, образуя воду и свободный кислород. Кислород при этом удаляется во внешнюю среду. Таким образом кислород, которым мы дышим это продукт окисления воды.
О том, что растения в процессе своей жизнедеятельности выделяют кислород люди узнали уже давно.
В 1772 году химик Джозеф Пристли провёл цикл экспериментов с газами.
В одном из своих экспериментов Пристали зажёг свечу и поместил её под перевёрнутый сосуд. Через некоторое время свеча погасла. Так как под сосудом закончился кислород.
Далее он провёл аналогичный эксперимент с мышкой. Мышь умерла вскоре после того, как погасла свеча.
Пристли провёл ещё один опыт. Он поместил под перевёрнутый сосуд зелёное растение с мышью, предоставив им доступ к свету. Свеча горела долгое время. А мышь оставалась жива. Значит подумал Пристли благодаря растению под герметично перевёрнутым сосудом остаётся кислород. Таким образом наблюдение Пристли были одной из первых демонстраций деятельности фотохимических реакционных центров.
Результаты опытов не только определили характерные особенности жизнедеятельности растений, но и продемонстрировали тесную взаимосвязь между растениями и животными.
Вернёмся к фотолизу воды.
Суммарное уравнение фотолиза воды выглядит следующим образом.
Из которого видно, что при фотолизе воды образуются протоны водорода, электроны и свободный кислород. 2 электрона вернулось в молекулу хлорофилла.
Протоны водорода накапливаются внутри тилакоида.
В результате мембрана тилакоида с одной стороны за счёт протонов водорода заряжается положительно, с другой за счёт электронов — отрицательно.
Благодаря разности потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны, протоны проталкиваются через каналы АТФ-синтетазы и происходит фосфорилирование АДФ до АТФ.
За одно и тоже время в хлоропластах образуется в 30 раз больше АТФ, чем в митохондриях.
А 2 протона водорода идут на восстановление специфического переносчика НАДФ+ до НАДФ·Н.
Суммарное уравнение реакций световой фазы выглядит следующим образом.
Таким образом, в световую фазу фатоны света вместе с водой используются для образования АТФ и востановления НАДФ+ до НАДФН.
АТФ и НАДФН транспортируются в строму хлоропласта и участвуют в процессах темновой фазы.
Темновая фаза фотосинтеза
Темновые реакции фотосинтеза происходят не только на свету, но и в темноте.
В темновой фазе образуются глюкоза и мономеры сложных органических соединений (аминокислоты, нуклеотиды, глицерин и жирные кислоты).
Источником углерода является углекислый газ, который поступает в растение через устьица.
Углекислый газ, который содержится в воздухе, захватывается специальным веществом- пятиуглеродным сахаром (рибулозобифосфатом).
Фермент катализирует эту реакцию. В результате образуется неустойчивое шестиуглеродное соединение, которое сразу же распадается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты (ФГК).
Затем происходит цикл реакций, который называется (Циклом Кальвина) в которых через ряд промежуточных продуктов фосфоглицериновая кислота преобразуется в глюкозу.
В этих реакциях используются энергии АТФ и НАДФ·Н.
Итак, в световую фазу фотосинтеза происходит фотолиз воды, высвобождение кислорода, синтез АТФ и образование НАДФ·Н.
В темновую фазу образуется глюкоза и крахмал главные источники энергии на планете Земля, аминокислоты, нуклеотиды, глицерин и жирные кислоты.
Таким образом в результате фотосинтеза растения накапливают органические вещества и обеспечивают постоянство уровня углекислого газа и кислорода в атмосфере.
В процессе фотосинтеза одно и тоже крупное растение производит совсем не так уж много углеводов. Однако если посчитать, сколько энергии солнечного света улавливают и запасают все зелёные растения на Земле за год, то окажется что для получения того же количества энергии было бы необходимо 200 000 гидроэлектростанций.
В верхних слоях воздушной оболочки Земли (на высоте 15-20 км) из кислорода образуется озон. Озоновый слой защищает все живые организмы от опасных для жизни ультрафиолетовых лучей.
Таким образом при помощи солнечного света автотрофные организмы, которые называют фототрофами получают энергию.
А некоторые автотрофные организмы – хемотрофы, как мы уже говорили выше…получают энергию за счёт энергии окисления неорганических веществ. Такой процесс называется – хемосинтезом.
Хемосинтез – это способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза органических веществ служат реакции окисления неорганических соединений.
Подобный вариант получения энергии используется только бактериями.
К хемотрофам относятся серобактерии, окисляющие сероводород.
Нитрифицирующие бактерии, превращающие аммиак в нитриты, а затем в нитраты.
Железобактерии, окисляющие железо.
Водородные бактерии, окисляющие водород.
Необходимо отметить, что выделяющаяся в реакциях окисления неорганических соединений энергия не может быть непосредственно использована бактериями в процессах ассимиляции (то есть процессах синтеза). Сначала это энергия переводиться в энергию макроэргических связей АТФ и только затем тратиться на синтез органических соединений.
Хемосинтезирующие организмы (например, серобактерии) могут жить в океанах на огромной глубине, в тех местах, где из разломов земной коры, выделяется сероводород.
Хемосинтетики – единственные организмы на Земле, которые не зависят он энергии солнечного света. Роль хемосинтетиков для всех живых существ очень велика. Так как они являются непременным звеном природного круговорота важных элементов: серы, азоты, железа.
Источник
