Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

4.4: Енергія потрапляє в екосистеми через фотосинтез

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    30194

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Всі живі організми на землі складаються з однієї або декількох клітин. Кожна клітина працює на хімічній енергії, що міститься в основному в молекулах вуглеводів (їжі), і більшість цих молекул виробляються одним процесом: фотосинтезом. За допомогою фотосинтезу певні організми перетворюють сонячну енергію (сонячне світло) в хімічну енергію, яка потім використовується для побудови молекул вуглеводів. Енергія, яка використовується для утримання цих молекул разом, виділяється, коли організм розщеплює їжу. Потім клітини використовують цю енергію для виконання роботи, наприклад, клітинного дихання. Енергія, яка задіюється від фотосинтезу, надходить в екосистеми нашої планети безперервно і передається від одного організму до іншого. Тому прямо чи опосередковано процес фотосинтезу забезпечує більшу частину енергії, необхідної живим істотам на землі. Фотосинтез також призводить до викиду кисню в атмосферу. Словом, їсти і дихати людина майже повністю залежить від організмів, які здійснюють фотосинтез.

    Сонячна залежність і виробництво продуктів харчування

    Деякі організми можуть здійснювати фотосинтез, тоді як інші - не можуть. Автотроф - це організм, який може виробляти власну їжу. Грецькі коріння слова autotroph означають «self» (auto) «фідер» (троф). Рослини є найвідомішими автотрофами, але існують і інші, включаючи певні види бактерій і водоростей (рисунок нижче). Океанічні водорості вносять величезну кількість їжі та кисню в глобальні харчові ланцюги. Рослини також є фотоавтотрофами, типом автотрофа, який використовує сонячне світло та вуглець з вуглекислого газу для синтезу хімічної енергії у вигляді вуглеводів. Всі організми, що здійснюють фотосинтез, вимагають сонячного світла.

    clipboard_e60bc4ebc35b6842cfdacf8f43e2b5028.png
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): (а) Рослини, (б) водорості та (в) певні бактерії, звані ціанобактеріями, є фотоавтотрофами, які можуть здійснювати фотосинтез. Водорості можуть рости на величезних ділянках у воді, часом повністю покриваючи поверхню. (кредит a: Стів Хіллебранд, Служба риби та дикої природи США; кредит b: «евтрофікація та гіпоксія» /Flickr; кредит c: NASA; дані шкали від Метта Рассела)

    Гетеротрофи - це організми, нездатні до фотосинтезу, які, отже, повинні отримувати енергію та вуглець з їжі, споживаючи інші організми. Грецькі коріння слова гетеротроф означають «інший» (гетеро) «живильник» (троф), що означає, що їх їжа надходить від інших організмів. Навіть якщо харчовим організмом є інша тварина, ця їжа простежує своє походження назад до автотрофів і процесу фотосинтезу. Люди є гетеротрофами, як і всі тварини. Гетеротрофи залежать від автотрофів, прямо або опосередковано. Олені і вовки - гетеротрофи. Олень отримує енергію, поїдаючи рослини. Вовк, що їсть оленя, отримує енергію, яка спочатку походить від рослин, з'їдених цим оленем. Енергія в рослині надходила від фотосинтезу, і тому вона є єдиним автотрофом в даному прикладі (рис. Нижче). Використовуючи ці міркування, вся їжа, яку їдять люди, також посилається на автотрофи, які здійснюють фотосинтез.

    clipboard_e77c6a3c804376d4145c0d6b0f7267a9f.png
    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Енергія, що зберігається в молекулах вуглеводів від фотосинтезу, проходить через харчовий ланцюг. Хижак, який їсть цих оленів, отримує енергію, яка виникла в фотосинтетичної рослинності, яку споживав олень. (кредит: Стів Ван Ріпер, Служба риби та дикої природи США)

    Основні структури та резюме фотосинтезу

    Фотосинтез вимагає сонячного світла, вуглекислого газу та води в якості вихідних реагентів (рисунок нижче). Після завершення процесу фотосинтез виділяє кисень і виробляє молекули вуглеводів, найчастіше глюкозу. Ці молекули цукру містять енергію, необхідну живим істотам для виживання.

    clipboard_ec8568c723b620b257a266f63833d18af.png
    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Фотосинтез використовує сонячну енергію, вуглекислий газ та воду для виділення кисню та отримання молекул цукру, що накопичують енергію.

    Складні реакції фотосинтезу можна узагальнити за допомогою хімічного рівняння, показаного на малюнку нижче.

    clipboard_eaf471932b11a2c29221a9b0f477336ee.png
    Малюнок\(\PageIndex{4}\): Це рівняння означає, що шість молекул вуглекислого газу (CO2) поєднуються з шістьма молекулами води (H2O) в присутності сонячного світла. При цьому виробляється одна молекула глюкози (C6H12O6) і шість молекул кисню (O2).

    Хоча рівняння виглядає простим, багато кроків, які відбуваються під час фотосинтезу, насправді досить складні, як у тому, як реакція, що підсумовує клітинне дихання, представляла багато окремих реакцій. У рослин фотосинтез відбувається переважно в листі, які складаються з багатьох шарів клітин і мають диференційовані верхню і нижню сторони.

    Фотосинтез відбувається всередині органели, званої хлоропластом. Хлоропласти мають подвійну (внутрішню і зовнішню) мембрану. Усередині хлоропласту знаходиться третя мембрана, яка утворює складені, дископодібні структури, звані тилакоїдами. Вбудовані в тилакоїдную мембрану молекули хлорофілу - пігменту (молекули, яка поглинає світло), через який починається весь процес фотосинтезу.

    Дві частини фотосинтезу

    Фотосинтез проходить в два етапи: світлозалежні реакції і цикл Кальвіна. У світлозалежних реакціях хлорофіл поглинає енергію від сонячного світла, а потім перетворює її в хімічну енергію з використанням води. Світлозалежні реакції виділяють кисень від гідролізу води як побічний продукт. У циклі Кальвіна хімічна енергія, отримана від світлозалежних реакцій, керує як захопленням вуглецю в молекулах вуглекислого газу, так і подальшим складанням молекул цукру. Дві реакції використовують молекули носія для транспортування енергії від однієї до іншої. Носії, які переміщують енергію від світлозалежних реакцій до реакцій циклу Кальвіна, можна вважати «повноцінними», оскільки вони приносять енергію. Після вивільнення енергії «порожні» енергоносії повертаються до світлозалежних реакцій для отримання більшої кількості енергії.

    Гетеротрофи - це організми, нездатні до фотосинтезу, які, отже, повинні отримувати енергію та вуглець з їжі, споживаючи інші організми. Люди є гетеротрофами, як і всі тварини. Гетеротрофи залежать від автотрофів, прямо або опосередковано. Використовуючи ці міркування, вся їжа, яку їдять люди, також посилається на автотрофи, які здійснюють фотосинтез.

    Генерація енергоносія: АТФ

    Фотосинтез починається зі світлових реакцій. Саме під час цих реакцій енергія від сонячного світла поглинається пігментом хлорофілом в тилакоїдних мембранах хлоропласта. Потім енергія тимчасово передається двом молекулам, АТФ (аденозинтрифосфат) і NADPH (нікотинамід-аденіндинуклеотидфосфат), які використовуються на другій стадії фотосинтезу. Енергія, яку несуть ці молекули, зберігається в зв'язку, який утримує один атом до молекули. Для АТФ це атом фосфату, а для NADPH - атом водню. Під час світлових реакцій використовується вода і виробляється кисень. Коли ці молекули виділяють енергію в цикл Кальвіна, вони втрачають атоми, щоб стати молекулами нижчої енергії ADP і NADP +.

    Цикл Кальвіна

    Після того, як енергія сонця перетворюється і упаковується в АТФ і НАДПГ, клітина має паливо, необхідне для побудови їжі у вигляді молекул вуглеводів. Виготовлені молекули вуглеводів матимуть основу атомів вуглецю. Атоми вуглецю, що використовуються для побудови молекул вуглеводів, походять з вуглекислого газу, газу, який тварини видихають при кожному вдиху. Цикл Кальвіна - це термін, який використовується для реакцій фотосинтезу, які використовують енергію, накопичену світлозалежними реакціями, для утворення глюкози та інших молекул вуглеводів. У рослині вуглекислий газ (\(\ce{CO2}\)) потрапляє в хлоропласт через продихи і дифундує в строму хлоропласта - місце реакцій циклу Кальвіна, де синтезується цукор. Реакції названі на честь вченого, який їх відкрив, і посилаються на той факт, що реакції функціонують як цикл.

    Енергетичний цикл

    Живі істоти отримують доступ до енергії, розщеплюючи молекули вуглеводів. Однак якщо рослини виробляють молекули вуглеводів, навіщо їм їх розщеплювати? Вуглеводи - це молекули накопичення енергії у всьому живому. Хоча енергія може зберігатися в молекулах, таких як АТФ, вуглеводи є набагато більш стабільними та ефективними резервуарами для хімічної енергії. Фотосинтетичні організми також здійснюють реакції дихання, щоб зібрати енергію, яку вони зберігали у вуглеводах, наприклад, рослини мають мітохондрії крім хлоропластів.

    Можливо, ви помітили, що загальна реакція на фотосинтез

    \[\ce{6CO2} + \ce{6H2O} \rightarrow \ce{C6H12O6} + \ce{6O2}\nonumber \]

    є зворотною загальною реакцією на клітинне дихання:

    \[\ce{6O2} + \ce{C6H12O6} \rightarrow \ce{6CO2} + \ce{6H2O}\nonumber \]

    Фотосинтез виробляє кисень як побічний продукт, а дихання виробляє вуглекислий газ як побічний продукт. У природі не існує такого поняття, як відходи. Кожен атом речовини зберігається, переробляючись нескінченно. Речовини змінюють форму або переходять від одного типу молекул до іншого, але ніколи не зникають. \(\ce{CO2}\)це не більше форма відходів, що утворюються при диханні, ніж кисень є відпрацьованим продуктом фотосинтезу. Обидва є побічними продуктами реакцій, які переходять до інших реакцій. Фотосинтез поглинає енергію для побудови вуглеводів в хлоропластах, а аеробне клітинне дихання вивільняє енергію, використовуючи кисень для розщеплення вуглеводів. Фотосинтез і клітинне дихання функціонують в біологічному циклі, дозволяючи організмам отримати доступ до життєзабезпечення енергії, яка бере початок за мільйони миль від зірки.

    Автори та атрибуція