8.1: Огляд фотосинтезу

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1781

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

Навички для розвитку

Поясніть актуальність фотосинтезу для інших живих істот
Опишіть основні структури, що беруть участь у фотосинтезі
Визначте субстрати і продукти фотосинтезу
Підсумовуємо процес фотосинтезу

Фотосинтез важливий для всього живого на землі; від нього залежать як рослини, так і тварини. Це єдиний біологічний процес, який може захоплювати енергію, яка походить у космічному просторі (сонячне світло), і перетворювати її в хімічні сполуки (вуглеводи), які кожен організм використовує для живлення свого метаболізму. Якщо коротко, то енергія сонячного світла захоплюється і використовується для підживлення електронів, які потім зберігаються в ковалентних зв'язках молекул цукру. Наскільки тривалими та стабільними є ці ковалентні зв'язки? Енергія, що видобувається сьогодні при спалюванні вугілля та нафтопродуктів, являє собою енергію сонячного світла, захоплену та накопичену фотосинтезом майже 200 мільйонів років тому.

Рослини, водорості і група бактерій під назвою ціанобактерії - єдині організми, здатні виконувати фотосинтез (рис.\(\PageIndex{1}\)). Оскільки вони використовують світло для виготовлення власної їжі, їх називають фотоавтотрофами (буквально «самогодівниці, що використовують світло»). Інші організми, такі як тварини, гриби та більшість інших бактерій, називаються гетеротрофами («інші годівниці»), оскільки вони повинні покладатися на цукри, що виробляються фотосинтетичними організмами для своїх енергетичних потреб. Третя дуже цікава група бактерій синтезує цукру, не використовуючи енергію сонячного світла, а шляхом вилучення енергії з неорганічних хімічних сполук; отже, їх називають хемоавтотрофами.

На фото а зображений лист папороті. На фото б зображені густі зелені водорості, що ростуть на воді. Мікрофотографія c показує ціанобактерії, які представляють собою зелені палички довжиною близько 10 мкм. Фото D показує чорний дим, що виливається з глибокого морського вентиляційного отвору, покритого червоними черв'яками. Мікрофотографія Е показує паличкоподібні бактерії довжиною близько 1,5 мкм. — Рисунок\(\PageIndex{1}\): Фотоавтотрофи, включаючи (а) рослини, (b) водорості та (c) ціанобактерії синтезують свої органічні сполуки за допомогою фотосинтезу, використовуючи сонячне світло як джерело енергії. Ціанобактерії і планктонні водорості можуть рости на величезних ділянках у воді, часом повністю покриваючи поверхню. У (d) глибоководному вентиляційному отворі хемоавтотрофи, такі як ці (е) термофільні бактерії, захоплюють енергію з неорганічних сполук для отримання органічних сполук. Екосистема, що оточує вентиляційні отвори, має різноманітний масив тварин, таких як трубкові черв'яки, ракоподібні та восьминоги, які отримують енергію від бактерій. (кредит a: модифікація роботи Стіва Хіллебранда, Служба риби та дикої природи США; кредит b: модифікація роботи шляхом «евтрофікації та гіпоксії» /Flickr; кредит c: модифікація роботи НАСА; кредит d: Університет Вашингтона, NOAA; кредит e: модифікація роботи Марка Аменд, Західне узбережжя та полярні регіони Центр підводних досліджень, УАФ, NOAA)

Важливість фотосинтезу полягає не тільки в тому, що він може захоплювати енергію сонячного світла. Ящірка, що засмагає себе в холодний день, може використовувати енергію сонця для прогріву. Фотосинтез життєво важливий, оскільки він еволюціонував як спосіб зберігання енергії в сонячному випромінюванні (частина «фото-») як електрони високої енергії в вуглецево-вуглецевих зв'язках молекул вуглеводів (частина «-синтезу»). Ці вуглеводи є джерелом енергії, яке гетеротрофи використовують для живлення синтезу АТФ за допомогою дихання. Тому фотосинтез забезпечує 99 відсотків екосистем Землі. Коли верхній хижак, такий як вовк, полює на оленя (рис.\(\PageIndex{2}\)), Вовк знаходиться в кінці енергетичного шляху, який йшов від ядерних реакцій на поверхні сонця, до світла, до фотосинтезу, до рослинності, до оленів і, нарешті, до вовка.

Фото показує олень, що біжить через високу траву біля лісу. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Енергія, що зберігається в молекулах вуглеводів від фотосинтезу, проходить через харчовий ланцюг. Хижак, який їсть цих оленів, отримує частину енергії, яка виникла в фотосинтетичної рослинності, яку споживав олень. (кредит: модифікація роботи Стіва ВанРіпера, Служби рибної та дикої природи США)

Основні структури та резюме фотосинтезу

Фотосинтез - це багатоступінчастий процес, який вимагає сонячного світла, вуглекислого газу (який мало енергії) та води в якості субстратів (рис.\(\PageIndex{3}\)). Після завершення процесу він виділяє кисень і виробляє гліцеральдегід-3-фосфат (GA3P), прості молекули вуглеводів (які мають високу енергію), які згодом можуть бути перетворені в глюкозу, сахарозу або будь-яку з десятків інших молекул цукру. Ці молекули цукру містять енергію та напружений вуглець, який потрібен усім живим істотам, щоб вижити.

Фото дерева. Стрілки вказують на те, що дерево використовує вуглекислий газ, воду та сонячне світло для отримання цукрів та кисню. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Фотосинтез використовує сонячну енергію, вуглекислий газ та воду для отримання вуглеводів, що накопичують енергію. Кисень утворюється як відпрацьований продукт фотосинтезу.

Нижче наведено хімічне рівняння фотосинтезу (рис.\(\PageIndex{4}\)):

Показано рівняння фотосинтезу. Згідно з цим рівнянням шість вуглекислого газу і шість молекул води виробляють одну молекулу цукру і шість молекул кисню. Молекула цукру складається з шести вуглеців, дванадцяти воднів і шести кисню. Сонячне світло використовується в якості джерела енергії. — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Основне рівняння для фотосинтезу оманливо просте. Насправді процес проходить у багато етапів із залученням проміжних реагентів та продуктів. Глюкоза, основне джерело енергії в клітині, виготовляється з двох тривуглецевих Ga3ps.

Хоча рівняння виглядає простим, багато кроків, які відбуваються під час фотосинтезу, насправді досить складні. Перш ніж дізнатися подробиці того, як фотоавтотрофи перетворюють сонячне світло в їжу, важливо ознайомитися з задіяними структурами.

У рослин фотосинтез зазвичай відбувається в листі, які складаються з декількох шарів клітин. Процес фотосинтезу відбувається в середньому шарі, званому мезофілом. Газообмін вуглекислого газу та кисню відбувається через невеликі регульовані отвори, звані продихами (сингулярні: стома), які також відіграють роль у регулюванні газообміну та водного балансу. Продихи, як правило, розташовані на нижній стороні листа, що допомагає мінімізувати втрати води. Кожна стома фланкується захисними клітинами, які регулюють відкриття і закриття продихів шляхом набухання або скорочення у відповідь на осмотичні зміни.

У всіх автотрофних еукаріотів фотосинтез відбувається всередині органели, званої хлоропластом. Для рослин в мезофілі існують клітини, що містять хлоропласт. Хлоропласти мають подвійну мембранну оболонку (складається з зовнішньої мембрани і внутрішньої мембрани). Усередині хлоропласту укладені дископодібні структури, звані тилакоїдами. У тилакоїдну мембрану вбудований хлорофіл, пігмент (молекула, яка поглинає світло), що відповідає за початкову взаємодію між світлом і рослинним матеріалом, і численні білки, що складають ланцюг транспорту електронів. Тилакоїдна мембрана охоплює внутрішній простір, званий тилакоїдним просвітом. Як показано на малюнку\(\PageIndex{5}\), стопка тилакоїдів називається гранумом, а заповнене рідиною простір, що оточує грануму, називається стромою або «ліжком» (не плутати зі стомою або «ротом», отвором на епідермісі листа).

Мистецтво З'єднання

На цій ілюстрації показаний хлоропласт, який має зовнішню мембрану і внутрішню мембрану. Простір між зовнішньою і внутрішньою оболонками називається міжмембранним простором. Усередині внутрішньої мембрани розташовані плоскі, схожі на млинці структури, звані тилакоїдами. Тилакоїди утворюють штабелі, звані грана. Рідина всередині внутрішньої мембрани називається стромою, а простір всередині тилакоїда називається тилакоїдним просвітом. — Малюнок\(\PageIndex{5}\): Фотосинтез відбувається в хлоропластах, які мають зовнішню мембрану і внутрішню мембрану. Стеки тилакоїдів, звані грана, утворюють третій мембранний шар.

У спекотний сухий день рослини закривають продихи, щоб зберегти воду. Який вплив це матиме на фотосинтез?

Дві частини фотосинтезу

Фотосинтез відбувається в дві послідовні стадії: світлозалежні реакції і світлозалежні реакції. У світлозалежних реакціях енергія сонячного світла поглинається хлорофілом, і ця енергія перетворюється в накопичену хімічну енергію. У незалежних від світла реакціях хімічна енергія, отримана під час світлозалежних реакцій, призводить до складання молекул цукру з вуглекислого газу. Тому, хоча світлонезалежні реакції не використовують світло як реагент, вони вимагають функціонування продуктів світлозалежних реакцій. Крім того, кілька ферментів світлонезалежних реакцій активуються світлом. Світлозалежні реакції використовують певні молекули для тимчасового зберігання енергії: вони називаються енергоносіями. Енергоносії, які переміщують енергію від світлозалежних реакцій до світлонезалежних реакцій, можна вважати «повноцінними», оскільки вони багаті енергією. Після вивільнення енергії «порожні» енергоносії повертаються до світлозалежної реакції для отримання більшої кількості енергії. Малюнок\(\PageIndex{6}\) ілюструє компоненти всередині хлоропласту, де відбуваються світлозалежні та незалежні від світла реакції.

На цій ілюстрації показаний хлоропласт із зовнішньою мембраною, внутрішньою мембраною та стопками мембран всередині внутрішньої мембрани, званої тилакоїдами. Весь стек називається гранумом. У світлових реакціях енергія від сонячного світла перетворюється в хімічну енергію у вигляді АТФ і НАДПГ. В процесі використовується вода і виробляється кисень. Енергія від АТФ і NADPH використовується для живлення циклу Кальвіна, який виробляє GA3P з вуглекислого газу. АТФ розбивається до ADP і Pi, а NADPH окислюється до NADP +. Цикл завершується, коли світлові реакції перетворюють ці молекули назад в АТФ і НАДПГ. — Малюнок\(\PageIndex{6}\): Фотосинтез відбувається в два етапи: світлозалежні реакції і цикл Кальвіна. Світлозалежні реакції, які відбуваються в тилакоїдної мембрані, використовують світлову енергію для отримання АТФ і НАДПГ. Цикл Кальвіна, який відбувається в стромі, використовує енергію, отриману з цих сполук, щоб зробити GA3P з СО ₂.

Посилання на навчання

Перейдіть за посиланням, щоб дізнатися більше про фотосинтез.

Щоденне підключення: фотосинтез в продуктовому магазині

Фото показує людей, які купують в продуктовому магазині. — Малюнок\(\PageIndex{7}\): Їжа, яку споживає людина, походить від фотосинтезу. (кредит: Бразильська асоціація де Супермеркадос)

Великі продуктові магазини в Сполучених Штатах організовані у відділи, такі як молочні продукти, м'ясо, продукти, хліб, крупи тощо. Кожен прохід (рис.\(\PageIndex{7}\)) містить сотні, якщо не тисячі, різних продуктів, які клієнти можуть купувати та споживати.

Хоча існує велика різноманітність, кожен елемент посилається назад на фотосинтез. М'ясо і молочна ланка, тому що тварин годували рослинною їжею. Хліб, злаки та макарони походять здебільшого з крохмалистих зерен, які є насінням рослин, залежних від фотосинтезу. А як щодо десертів і напоїв? Всі ці продукти містять цукор—сахароза - рослинний продукт, дисахарид, молекула вуглеводів, яка будується безпосередньо з фотосинтезу. Більше того, багато предметів менш очевидно походять від рослин: наприклад, паперові вироби, як правило, рослинні продукти, а багато пластмас (рясні як продукти та упаковка) походять з водоростей. Практично кожна спеція та ароматизатор у проході прянощів вироблялася рослиною у вигляді листа, кореня, кори, квітки, фруктів або стебла. Зрештою, фотосинтез з'єднується з кожним прийомом їжі та кожною їжею, яку споживає людина.

Резюме

Процес фотосинтезу трансформував життя на Землі. Використовуючи енергію від сонця, фотосинтез еволюціонував, щоб забезпечити живим істотам доступ до величезної кількості енергії. Завдяки фотосинтезу живі істоти отримали доступ до достатньої кількості енергії, що дозволило їм будувати нові структури та досягти очевидного сьогодні біорізноманіття.

Тільки певні організми, звані фотоавтотрофами, можуть виконувати фотосинтез; вони вимагають наявності хлорофілу, спеціалізованого пігменту, який поглинає певні ділянки видимого спектру і може захоплювати енергію від сонячного світла. Фотосинтез використовує вуглекислий газ і воду для збору молекул вуглеводів і виділення кисню як відходів в атмосферу. Еукаріотичні автотрофи, такі як рослини та водорості, мають органели, звані хлоропластами, в яких відбувається фотосинтез, а крохмаль накопичується. У прокаріотів, таких як ціанобактерії, процес менш локалізований і відбувається всередині складчастих мембран, розширень плазматичної мембрани, і в цитоплазмі.

Мистецькі зв'язки

Малюнок\(\PageIndex{5}\): У спекотний сухий день рослини закривають продихи для збереження води. Який вплив це матиме на фотосинтез?

Відповідь: Рівні вуглекислого газу (необхідного фотосинтетичного субстрату) відразу впадуть. В результаті швидкість фотосинтезу буде гальмуватися.

Глосарій

хемоавтотроф: організм, який може будувати органічні молекули, використовуючи енергію, отриману з неорганічних хімічних речовин замість сонячного світла

хлоропласт: органела, в якій відбувається фотосинтез

гранум: стек тилакоїдів, розташованих всередині хлоропласту

гетеротроф: організм, який споживає органічні речовини або інші організми для їжі

світлозалежна реакція: перший етап фотосинтезу, де певні довжини хвиль видимого світла поглинаються з утворенням двох енергонесучих молекул (АТФ і НАДПГ)

світлонезалежна реакція: другий етап фотосинтезу, хоча який вуглекислий газ використовується для побудови молекул вуглеводів, використовуючи енергію АТФ і НАДПГ

мезофіл: середній шар багатих хлорофілом клітин в листі

фотоавтотроф: організм, здатний виробляти власні органічні сполуки з сонячного світла

пігменту: молекула, яка здатна поглинати певні довжини хвиль світла та відображати інші (що пояснює його колір)

стома: отвір, який регулює газообмін і випаровування води між листям і навколишнім середовищем, як правило, розташовані на нижній стороні листя

строма: заповнений рідиною простір, що оточує грану всередині хлоропласту, де відбуваються незалежні від світла реакції фотосинтезу

тилакоїдний: дископодібна, мембранно-зв'язана структура всередині хлоропласту, де відбуваються світлозалежні реакції фотосинтезу; стеки тилакоїдів називаються гранами

тилакоїдний просвіт: водний простір, пов'язаний тилакоїдною мембраною, де протони накопичуються під час переносу легких електронів