Як працює фотосинтез - основний процес на Землі, що забезпечує життя

Рослини та водорості забезпечують нас киснем, необхідним для виживання, а також вуглеводами, які ми використовуємо для отримання енергії. Усі вони роблять це за допомогою фотосинтезу. Приблизно можна порахувати, скільки у дереві сухої речовини по масі, стільки ж по масі дерево за все своє життя виділило в атмосферу кисню.

Відповідно, чим дерево більше і швидше росте - тим більше воно виділяє кисню в атмосферу. Тополя, дійсно, одне з найбільш швидко зростаючих дерев, тому і кисню він виділяє більше за час життя. Доросла тополя у віці 25-30 років виділяє у 7 разів більше кисню, ніж така ж рослина ялинки. Тополя також добре зволожує повітря та стійка до забруднення повітря.

Частина накопиченої органічної речовини використовується у процесі дихання самого дерева та розкладання його відмерлих частин.

Процес поглинання вуглекислого газу та виділення рослинами кисню називають фотосинтезом. Однак це набагато складніший процес.

Отже, фотосинтез - це процес створення цукру та кисню з вуглекислого газу, води та сонячного світла. Це відбувається внаслідок довгої серії хімічних реакцій. Але це можна резюмувати так: входять вуглекислий газ, вода та світло. Виходять глюкоза, вода та кисень. (Глюкоза – це простий цукор.)

Фотосинтез можна поділити на два процеси. «Фото» відноситься до реакцій, що запускає світло. «Синтез» – виробництво цукру – це окремий процес, званий циклом Кальвіна.

Обидва процеси відбуваються всередині хлоропласту. Це спеціалізована структура чи органела у рослинній клітині. Структура містить стоси мембран, званих тилакоїдними мембранами. Отут і починається легка реакція.

Хлоропласти перебувають у клітинах рослин. Тут відбувається фотосинтез. Молекули хлорофілу, які отримують енергію від сонячного світла, розташовані в стопках, які називаються тилакоїдними мембранами.

Коли світло потрапляє на листя рослини, воно потрапляє на хлоропласти та їх тілакоїдні мембрани. Ці мембрани заповнені хлорофілом, зеленим пігментом. Цей пігмент поглинає світлову енергію. Світло поширюється як електромагнітні хвилі. Довжина хвилі – відстань між хвилями – визначає рівень енергії. Деякі з цих довжин хвиль видно нам як кольори, які ми бачимо. Якщо молекула, така як хлорофіл, має правильну форму, вона може поглинати енергію деяких довжин світла.

^{Процес фотосинтезу схема, фото: gigabaza}
Хлорофіл може поглинати світло, яке ми бачимо як синій і червоний. Ось чому бачимо рослини зеленими. Зелений колір - це довжина хвилі, яку відбивають рослини, а не колір, який вони поглинають.

Хоча світло поширюється як хвиля, воно також може бути частинкою, яка називається фотоном. Фотони немає маси. Однак вони мають невелику кількість світлової енергії.

Коли фотон сонячного світла відбивається від листа, його енергія збуджує молекулу хлорофілу. Цей фотон запускає процес, що розщеплює молекулу води. Атом кисню, який відокремлюється від води, миттєво зв'язується з іншим, створюючи молекулу кисню або O2. Хімічна реакція виробляє молекулу під назвою АТФ та іншу молекулу під назвою НАДФН. Обидві вони дозволяють клітині накопичувати енергію. АТФ та НАДФН також братимуть участь у синтезуючій частині фотосинтезу.

Зверніть увагу, що світлова реакція не дає цукру. Натомість вона постачає енергію, запасену в АТФ та НАДФН, яка включається до циклу Кальвіна. Тут виготовляється цукор.

^{Молекула кисню, фото: depositphotos}
Але світлова реакція робить те, що ми використовуємо для дихання: кисень. Весь кисень, яким ми дихаємо, є результатом цього етапу фотосинтезу, який виконують рослини та водорості (які не є рослинами) у всьому світі.

На наступному етапі енергія світлової реакції застосовується до процесу, що називається циклом Кальвіна. Цикл названий на честь Мелвіна Кальвіна, людини, яка його відкрила.

Цикл Кальвіна іноді також називають реакцією темряви, бо жоден із його етапів не потребує світла. Але це все одно буває вдень. Це тому, що йому потрібна енергія, вироблена попередньою світловою реакцією.

Тоді як світлова реакція відбувається у тилакоїдних мембранах, вироблені нею АТФ і НАДФН потрапляють у строму. Це простір усередині хлоропласту, але за межами тилакоїдних мембран. 

^{Схема циклу Кальвіна. Чорні кружки – атоми вуглецю, червоні – кисню, фіолетові – фосфору, маленькі білі кола – атоми водню, фото: wikipedia}
Цикл Кальвіна складається з чотирьох основних етапів:

фіксація вуглецю: тут рослина вводить CO2 та приєднує його до іншої молекули вуглецю за допомогою рубіско. Це фермент чи хімічна речовина, що прискорює реакцію. Цей крок настільки важливий, що рубіско - найпоширеніший білок у хлоропластах - і Землі. Рубіско приєднує вуглець CO2 до п'ятивуглецевої молекули, званої рибулозо-1,5-бісфосфатом (або RuBP). Це створює шестивуглецеву молекулу, яка відразу ж розпадається на дві хімічні речовини, кожна з трьома атомами вуглецю;

відновлення: АТФ і НАДФН зі світлової реакції з'являються і перетворюють дві тривуглецеві молекули на дві маленькі молекули цукру. Молекули цукру називають G3P. Це скорочення від гліцеральдегід-3-фосфату (GLIH-sur-AAL-duh-hide 3-FOS-fayt);

утворення вуглеводів: частина цього G3P залишає цикл і перетворюється на більш крупні цукри, такі як глюкоза (C6 H12 O6):

регенерація: з великою кількістю АТФ від світлової реакції, що продовжується, залишився G3P збирає ще два атоми вуглецю, щоб стати RuBP. Цей RuBP знову поєднується із Rubisco. Тепер вони готові запустити цикл Кальвіна, коли прибуде наступна молекула CO2.

^{Досвід, що показує явище фотосинтезу, фото: з відкритих джерел}
В кінці фотосинтезу рослина отримує глюкозу (C6 H12 O6), кисень (O2) та воду (H2O). Молекула глюкози йде до найважливіших речей. Він може стати частиною довголанцюгової молекули, такої як целюлоза; це хімічна речовина, з якої складаються клітинні стінки. Рослини можуть накопичувати енергію, упаковану в молекулі глюкози, у більших молекулах крохмалю. Вони навіть можуть додавати глюкозу в інші цукри, наприклад, у фруктозу, щоб фрукти рослини були солодкими.

Всі ці молекули – вуглеводи – хімічні речовини, що містять вуглець, кисень та водень. Рослина використовує зв'язки цих хімікатів для зберігання енергії. Але ми також використовуємо ці хімічні речовини. Вуглеводи - важлива частина продуктів, які ми їмо, особливо зерна, картоплі, фруктів та овочів.

Один із простих і популярних у шкільній програмі біології дослідів показує процес виділення кисню. Водна рослина елодея (фрагмент паростка) міститься у посудині з водою. Рослину накривають вирвою, на вільний кінець якої надягають пробірку і ставлять поруч із джерелом світла. Через деякий час у клітинах елодеї утворюється кисень, він накопичується у міжклітинниках. Крізь зріз стебла газ виділяється як безперервний поток бульбашок і накопичується в пробірці. Довести, що це кисень, не становить особливих труднощів. Достатньо опустити в пробірку лучину, що тліє. Цей досвід цікавий і тим, що доводить пряму залежність інтенсивності виділення кисню від ступеня освітлення. Видаляючи та наближаючи джерело світла до рослини можна спостерігати зміну швидкості утворення бульбашок кисню.

^{Будова хлоропласту, фото: sci-news}
Залежність від світла

Швидкість фотосинтезу прямо пропорційна до збільшення інтенсивності світла. Але за рівня освітлення 10 000 люкс наростання швидкості фотосинтезу, отже й виділення кисню, припиняється. Подальше збільшення інтенсивності світла не впливає на швидкість фотосинтезу.

Важливо відзначити, що інтенсивність фотосинтезу (і виділення кисню) різна у різних видів рослин:

у тіневитривалих рослин пік активності фотосинтезу спостерігається у півтіні;

у світлолюбних інтенсивність фотосинтезу висока лише за повного сонячного освітлення.

Вчені також відзначають, що у дерев простежуються періодичні зміни в інтенсивності фотосинтезу. Пригнічення процесу фотосинтезу відбувається в полуденний годинник, коли продихи на листі закриваються з метою зменшення випаровування і втрати рослиною вологи.

Спостереження показали, що освітлення рослин протягом 24 годин не збільшує процес фотосинтезу. Депресія фотосинтезу настає вночі, що корелюється внутрішніми факторами. Цікавий і той факт, що зелений лист може використовувати в процесі фотосинтезу лише 1% сонячної енергії, що на нього нападає.

^{Залежність фотосинтезу від світла, фото: studarium}
Залежність від температури

Температура навколишнього середовища також впливає на процес утворення органічних речовин та виділення кисню. Максимальна інтенсивність фотосинтезу у більшості рослин помірного пояса відзначається у діапазоні від 20 до 28 °С. У разі підвищення температури інтенсивність фотосинтезу падає, а інтенсивність дихання, навпаки, зростає.

Залежність від вуглекислого газу та забруднень

Значний вплив на процес фотосинтезу має вміст вуглекислого газу у повітрі. У середньому концентрація вуглекислого газу невелика і становить 0,03% обсягу повітря. Підвищення концентрації лише на 0,01 % сприяє підвищенню продуктивності фотосинтезу та врожайності рослини вдвічі. Незначне зниження концентрації вуглекислого газу, навпаки, різко знижує продуктивність процесу фотосинтезу.

Як ніякий інший фактор, впливає на фотосинтез рівень забруднення повітря. За високої загазованості (у великому місті біля автомагістралей) інтенсивність фотосинтезу знижується в 10 разів.

^{Гирлице, спеціальна щілина через яку відбувається "дихання" рослини, фото: allforchildren}
Власне дихання рослин

Важливо пам'ятати, що рослина, як і будь-який інший живий організм, цілодобово дихає, виділяючи вуглекислий газ та поглинаючи вироблений кисень. Адже дихання – процес, зворотний до фотосинтезу. Крім того, вночі фотосинтез зупиняється, але рослина продовжує дихати. Тому кількість виділеного деревом кисню реально виходить нижче, тому що його частина використовується для дихання.

Стійкий лісовий біоценоз скільки виділяє кисню, стільки ж його споживає. Додатковий кисень виробляє тільки дерево, що активно зростає, або молодняки. Старі дерева можуть, навпаки, споживати більше кисню.

Іони та фітонциди

Кисень, що утворюється в лісових насадженнях, насичений іонами негативного заряду, на відміну від кисню, що виділяється фітопланктоном океанів. Кількість негативних іонів залежить від складу лісів: найбільше їх утворюється в модринах і соснових лісах.

^{Дерева, фото: vokrugsveta}
Пилозахисні властивості

Варто відзначити і пилозахисні властивості дерев, говорячи про їхню роль у покращенні якостей повітря. Найнаочніше це продемонструють цифри. Шорстке велике листя в'яза утримує у 6 разів більше пилу, ніж гладке листя тополя. На висоті 1,5 м від землі затримується у 8 разів більше пилу, ніж на вершині крони (на висоті близько 12 м). Протягом року 1 гектар ялинового лісу здатний затримувати до 32 тонн пилу, а 1 га діброви – до 56 тонн.

Фотосинтез у цифрах

Протягом одного року вся рослинність Землі пов'язує 170 млрд. тонн вуглецю, і щорічно в рослинах синтезується близько 400 млрд. тонн органічних речовин. 

^{Значення дерев для людини, фото: chaskor}
Найбільше кисню виробляють дуби та модрини (6,7 т/га), а сосни та ялинки трохи менше (4,8—5,9 т/га). Щорічно 1 га середньовікового (60-річного) соснового лісу поглинає 14,4 т вуглекислоти та виділяє 10,9 т кисню. За той же період 1 га 40-річної діброви поглинає 18 т вуглекислоти та виділяє 13,9 т кисню.

Зеленими насадженнями площею 1 га поглинається за 1 рік стільки вуглекислоти, скільки протягом цього часу видихають 200 чоловік. В середньому для утворення 1 т абсолютно сухої деревини незалежно від деревини поглинається близько 1,83 т вуглекислоти та виділяється близько 1,32 т кисню.

Для забезпечення поглинання норми кисню 1 людиною на рік (400 кг) необхідно мати площу лісів на 1 особу 0,1-0,3 га. Одне велике дерево виділяє стільки кисню, скільки потрібно 1 людині на добу для дихання.

Таким чином, саме зелені рослини на нашій планеті є основними учасниками процесу фотосинтезу, який є життєтворчим на нашій планеті, а сам процес фотосинтезу був відкритий Джозефом Прістлі 17 серпня 1771 року.