Как работает фотосинтез - основной процесс на Земле обеспечивающий жизнь

Растения и водоросли обеспечивают нас кислородом, необходимым для выживания, а также углеводами, которые мы используем для получения энергии. Все они делают это посредством фотосинтеза. Приблизительно можно посчитать, сколько в дереве сухого вещества по массе, столько же по массе это дерево за всю свою жизнь выделило в атмосферу кислорода.

Соответственно, чем дерево крупнее и быстрее растет – тем больше оно выделяет кислорода в атмосферу. Тополь, действительно, одно из самых быстрорастущих деревьев, потому и кислорода он выделяет больше других за время жизни. Взрослый тополь в возрасте 25–30 лет выделяет в 7 раз больше кислорода, чем такое же растение ели. Тополь также хорошо увлажняет воздух и устойчив к загрязнению воздуха.

Часть накопленного органического вещества используется в процессе дыхания самого дерева и разложения его отмерших частей.

Процесс поглощения углекислого газа и выделения растениями кислорода называют фотосинтезом. Однако это гораздо более сложный процесс. 

Итак, фотосинтез - это процесс создания сахара и кислорода из углекислого газа, воды и солнечного света. Это происходит в результате длинной серии химических реакций. Но это можно резюмировать так: входят углекислый газ, вода и свет. Выходят глюкоза, вода и кислород. (Глюкоза - это простой сахар.)

Фотосинтез можно разделить на два процесса. «Фото» относится к реакциям, запускаемым светом. «Синтез» - производство сахара - это отдельный процесс, называемый циклом Кальвина.

Оба процесса происходят внутри хлоропласта. Это специализированная структура или органелла в растительной клетке. Структура содержит стопки мембран, называемых тилакоидными мембранами. Вот тут и начинается легкая реакция.

Хлоропласты находятся в клетках растений. Здесь происходит фотосинтез. Молекулы хлорофилла, которые получают энергию от солнечного света, расположены в стопках, называемых тилакоидными мембранами.

Когда свет попадает на листья растения, он попадает на хлоропласты и их тилакоидные мембраны. Эти мембраны заполнены хлорофиллом, зеленым пигментом. Этот пигмент поглощает световую энергию. Свет распространяется как электромагнитные волны. Длина волны - расстояние между волнами - определяет уровень энергии. Некоторые из этих длин волн видимы нам как цвета, которые мы видим. Если молекула, такая как хлорофилл, имеет правильную форму, она может поглощать энергию некоторых длин волн света.

^{Процесс фотосинтеза схема, фото: gigabaza}
Хлорофилл может поглощать свет, который мы видим как синий и красный. Вот почему мы видим растения зелеными. Зеленый цвет - это длина волны, которую отражают растения, а не цвет, который они поглощают.

Хотя свет распространяется как волна, он также может быть частицей, называемой фотоном. Фотоны не имеют массы. Однако они обладают небольшим количеством световой энергии.

Когда фотон солнечного света отражается от листа, его энергия возбуждает молекулу хлорофилла. Этот фотон запускает процесс, который расщепляет молекулу воды. Атом кислорода, который отделяется от воды, мгновенно связывается с другим, создавая молекулу кислорода или O2. Химическая реакция также производит молекулу под названием АТФ и другую молекулу под названием НАДФН. Оба они позволяют клетке накапливать энергию. АТФ и НАДФН также будут принимать участие в синтезирующей части фотосинтеза.

Обратите внимание, что световая реакция не дает сахара. Вместо этого он поставляет энергию, запасенную в АТФ и НАДФН, которая включается в цикл Кальвина. Здесь производится сахар.

^{Молекула кислорода, фото: depositphotos}
Но световая реакция производит то, что мы используем для дыхания: кислород. Весь кислород, которым мы дышим, является результатом этого этапа фотосинтеза, выполняемого растениями и водорослями (которые не являются растениями) во всем мире.

На следующем этапе энергия световой реакции применяется к процессу, называемому циклом Кальвина. Цикл назван в честь Мелвина Кальвина, человека, который его открыл.

Цикл Кальвина иногда также называют реакцией темноты, потому что ни один из его этапов не требует света. Но это все равно бывает днем. Это потому, что ему нужна энергия, произведенная предшествующей световой реакцией.

В то время как световая реакция происходит в тилакоидных мембранах, производимые ею АТФ и НАДФН попадают в строму. Это пространство внутри хлоропласта, но за пределами тилакоидных мембран.

^{Схема цикла Кальвина. Чёрные кружки — атомы углерода, красные — кислорода, фиолетовые — фосфора, маленькие белые окружности — атомы водорода, фото: wikipedia}
Цикл Кальвина состоит из четырех основных этапов:

фиксация углерода: здесь растение вводит CO2 и присоединяет его к другой молекуле углерода с помощью рубиско. Это фермент или химическое вещество, ускоряющее реакцию. Этот шаг настолько важен, что рубиско - самый распространенный белок в хлоропластах - и на Земле. Рубиско присоединяет углерод в CO2 к пятиуглеродной молекуле, называемой рибулозо-1,5-бисфосфатом (или RuBP). Это создает шестиуглеродную молекулу, которая сразу же распадается на два химических вещества, каждое с тремя атомами углерода;

восстановление: АТФ и НАДФН из световой реакции появляются и превращают две трехуглеродные молекулы в две маленькие молекулы сахара. Молекулы сахара называются G3P. Это сокращение от глицеральдегид-3-фосфат (GLIH-sur-AAL-duh-hide 3-FOS-fayt);

образование углеводов: часть этого G3P покидает цикл и превращается в более крупные сахара, такие как глюкоза (C6 H12 O6):

регенерация: с большим количеством АТФ от продолжающейся световой реакции оставшийся G3P собирает еще два атома углерода, чтобы стать RuBP. Этот RuBP снова сочетается с Rubisco. Теперь они готовы снова запустить цикл Кальвина, когда прибудет следующая молекула CO2.

^{Опыт показывающий явление фотосинтеза, фото: из открытых источников}
В конце фотосинтеза растение получает глюкозу (C6 H12 O6 ), кислород (O2) и воду (H2O). Молекула глюкозы идет к более важным вещам. Он может стать частью длинноцепочечной молекулы, такой как целлюлоза; это химическое вещество, из которого состоят клеточные стенки. Растения также могут накапливать энергию, упакованную в молекуле глюкозы, в более крупных молекулах крахмала. Они даже могут добавлять глюкозу в другие сахара, например во фруктозу, чтобы фрукты растения были сладкими.

Все эти молекулы - углеводы - химические вещества, содержащие углерод, кислород и водород. Растение использует связи этих химикатов для хранения энергии. Но мы тоже используем эти химические вещества. Углеводы - важная часть продуктов, которые мы едим, особенно зерна, картофель, фрукты и овощи.

Один из простых и популярных в школьной программе биологии опытов показывает процесс выделения кислорода. Водное растение элодея (фрагмент побега) помещается в сосуд с водой. Растение накрывают воронкой, на свободный конец которой надевают пробирку и ставят рядом с источником света. Через некоторое время в клетках элодеи образуется кислород, он скапливается в межклетниках. Сквозь срез стебля газ выделяется в виде непрерывного потока пузырьков и накапливается в пробирке. Доказать, что это кислород, не представляет особого труда. Достаточно опустить в пробирку тлеющую лучину. Данный опыт интересен и тем, что доказывает прямую зависимость интенсивности выделения кислорода от степени освещения. Удаляя и приближая источник света к растению можно наблюдать изменение скорости образования пузырьков кислорода.

^{Строение хлоропласта, фото: sci-news}
Зависимость от света

Скорость фотосинтеза прямо пропорциональна увеличению интенсивности света. Но при уровне освещения 10 000 люкс нарастание скорости фотосинтеза, а следовательно и выделения кислорода, прекращается. Дальнейшее увеличение интенсивности света уже не влияет на скорость фотосинтеза.

Важно отметить, что интенсивность фотосинтеза (и выделение кислорода) различна у разных видов растений:

у теневыносливых растений пик активности фотосинтеза наблюдается в полутени;

у светолюбивых интенсивность фотосинтеза высока только при полном солнечном освещении.

Ученые также отмечают что у деревьев прослеживаются периодические изменения в интенсивности фотосинтеза. Угнетение процесса фотосинтеза происходит в полуденные часы, когда устьица на листьях закрываются с целью уменьшения испарения и потери растением влаги.

Наблюдения показали, что освещение растений постоянно в течение 24 часов не увеличивает процесс фотосинтеза. Депрессия фотосинтеза наступает в ночные часы, что коррелируется внутренними факторами. Интересен и тот факт, что зеленый лист может использовать в процессе фотосинтеза только 1 % падающей на него солнечной энергии.

^{Зависимость фотосинтеза от света, фото: studarium}
Зависимость от температуры

Температура окружающей среды также влияет на процесс образования органических веществ и выделение кислорода. Максимальная интенсивность фотосинтеза у большинства растений умеренного пояса отмечается в диапазоне от +20 до +28 °С. При повышении температуры интенсивность фотосинтеза падает, а интенсивность дыхания, наоборот, возрастает.

Зависимость от углекислого газа и загрязнений

Значимое влияние на процесс фотосинтеза оказывает содержание углекислого газа в воздухе. В среднем концентрация углекислого газа невелика и составляет 0,03 % объема воздуха. Повышение концентрации всего лишь на 0,01 % способствует повышению продуктивности фотосинтеза и урожайности растения вдвое. Незначительное понижение концентрации углекислого газа, наоборот, резко снижает продуктивность процесса фотосинтеза.

Как никакой другой фактор влияет на фотосинтез уровень загрязнения воздуха. При высокой загазованности (в крупном городе около автомагистралей) интенсивность фотосинтеза падает в 10 раз.

^{Устьице, специальная щель через которую происходит "дыхание" растения, фото: allforchildren}
Собственное дыхание растений

Важно помнить, что растение, как и любой другой живой организм, круглосуточно дышит, выделяя углекислый газ и поглощая произведенный кислород. Ведь дыхание — процесс, обратный фотосинтезу. Кроме того, ночью фотосинтез останавливается, но растение продолжает дышать. Поэтому количество выделенного деревом кислорода реально получается ниже, так как часть его оно использует для дыхания.

Устойчивый лесной биоценоз сколько выделяет кислорода, столько же его и потребляет. Дополнительный кислород производит только активно растущее дерево или молодняки. Старовозрастные деревья могут, наоборот, потреблять кислорода больше.

Ионы и фитонциды

Кислород, образуемый в лесных насаждениях, насыщен ионами отрицательного заряда, в отличие от кислорода, выделяемого фитопланктоном океанов. Количество отрицательных ионов зависит от состава лесов: больше всего их образуется в лиственничных и сосновых лесах.

^{Деревья, фото: vokrugsveta}
Пылезащитные свойства

Стоит отметить и пылезащитные свойства деревьев, говоря о их роли в улучшении качеств воздуха. Нагляднее всего это продемонстрируют цифры. Шероховатые крупные листья вяза удерживают в 6 раз больше пыли, чем гладкие листья тополей. На высоте 1,5 м от земли задерживается в 8 раз больше пыли, чем на вершине кроны (на высоте около 12 м). В течение года 1 гектар елового леса способен задерживать до 32 тонн пыли, а 1 га дубравы – до 56 тонн.

Фотосинтез в цифрах

В течении одного года вся растительность Земли связывает 170 млрд тонн углерода, и ежегодно в растениях синтезируется около 400 млрд тонн органических веществ.

^{Значимость деревьев для человека, фото: chaskor}
Больше всего кислорода производят дубы и лиственницы (6,7 т/га), а сосны и ели немного меньше (4,8—5,9 т/га). Ежегодно 1 га средневозрастного (60-летнего) соснового леса поглощает 14,4 т углекислоты и выделяет 10,9 т кислорода. За тот же период 1 га 40-летней дубравы поглощает 18 т углекислоты и выделяет 13,9 т кислорода.

Зелеными насаждениями площадью 1 га поглощается за 1 ч столько углекислоты, сколько в течение этого же времени выдыхают 200 человек. В среднем для образования 1 т абсолютно сухой древесины независимо от древесной породы поглощается около 1,83 т углекислоты и выделяется около 1,32 т кислорода.

Для обеспечения поглощения нормы кислорода 1 человеком в год (400 кг) необходимо иметь площадь лесов на 1 человека 0,1—0,3 га. Одно крупное дерево выделяет столько кислорода, сколько нужно 1 человеку в сутки для дыхания.

Таким образом именно зеленые растения на нашей планете являются основными участниками процесса фотосинтеза, который является жизнеобразующим на нашей планете, а сам процесс фотосинтеза был открыт Джозефом Пристли 17 августа 1771 года.