5.1: Огляд фотосинтезу

Last updated
Save as PDF

Page ID: 499

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

Всі живі організми на землі складаються з однієї або декількох клітин. Кожна клітина працює на хімічній енергії, що знаходиться 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, вивільняється, коли організм розщеплює їжу. Потім клітини використовують цю енергію для виконання роботи, наприклад, клітинного дихання.

Енергія, яка запряжена з 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. Коротше кажучи, їсти і дихати люди майже повністю залежать від організмів, які здійснюють фотосинтез.

ПОНЯТТЯ В ДІЇ

Клацніть на наступне посилання , щоб дізнатись більше про фотосинтез.

Сонячна залежність та виробництво продуктів харчування

Деякі організми можуть здійснювати фотосинтез, тоді як інші не можуть. Автотроф - це організм, який може виробляти власну їжу. Грецькі корені слова autotroph означають «self» (auto ) «feeder» (troph ). Рослини є найвідомішими автотрофами, але існують і інші, включаючи певні види бактерій і водоростей (рис. \(\PageIndex{1}\)). Океанічні водорості вносять величезну кількість їжі та кисню до глобальних харчових ланцюгів. Рослини також є фотоавтотрофами, типом автотрофа, який використовує сонячне світло і вуглець з вуглекислого газу для синтезу хімічної енергії у вигляді вуглеводів. Всі організми, що здійснюють фотосинтез, вимагають сонячного світла.

На фото а зображений зелений лист папороті. На фото б зображений пірс, який виступає у велику водойму нерухомої води; вода біля пірсу пофарбована в зелений колір з видимими водоростями. Фото с - мікрофотографія ціанобактерій. — **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 повинні отримувати енергію та вуглець з їжі, споживаючи інші організми. Грецькі корені слова heterotroph означають «інший» (hetero ) «feeder» (troph ), що означає, що їх харчування походить від інших організмів. Навіть якщо харчовий організм є іншою твариною, ця їжа відслідковує своє походження назад до автотрофів та процесу фотосинтезу. Люди є гетеротрофами, як і всі тварини. Гетеротрофи залежать від автотрофів, прямо чи опосередковано. Олені і вовки - гетеротрофи. Олень отримує енергію, поїдаючи рослини. Вовк, що їсть оленя, отримує енергію, яка спочатку надходила від рослин, з'їдених цим оленем. Енергія в рослині надходила від фотосинтезу, і тому вона є єдиним автотрофом в даному прикладі (рис. \(\PageIndex{2}\)). Використовуючи ці міркування, вся їжа, яку їдять люди, також посилається на автотрофи, які здійснюють фотосинтез.

Ця фотографія показує оленя, що проходить через високу траву на краю лісу. — **Малюнок \(\PageIndex{2}\):** Енергія, накопичена в молекулах вуглеводів від фотосинтезу, проходить через харчовий ланцюг. Хижак, який їсть цих оленів, отримує енергію, яка виникла в фотосинтезуючої рослинності, яку споживав олень. (Кредит: Стів ВанРіпер, Служба риби та дикої природи США)

БІОЛОГІЯ В ДІЇ: Фотосинтез в продуктовому магазині

Основні продуктові магазини в Сполучених Штатах організовані в департаменти, такі як молочні продукти, м'ясо, продукти, хліб, крупи, і так далі. Кожен прохід містить сотні, якщо не тисячі, різних продуктів для покупців, щоб купити і споживати (Малюнок \(\PageIndex{3}\)).

Ця фотографія показує людей, які здійснюють покупки в продуктовому магазині — **Малюнок \(\PageIndex{3}\):** Фотосинтез - це походження продуктів, що входять до складу основних елементів раціону людини. (кредит: Асоціація Бразиліа де Супермеркадос)

Хоча існує велика різноманітність, кожен елемент посилається на фотосинтез. М'ясо та молочні продукти пов'язані з фотосинтезом, оскільки тварин годували рослинною їжею. Хліб, крупи та макарони здебільшого походять із зерен, які є насінням фотосинтетичних рослин. А як щодо десертів і напоїв? Всі ці продукти містять цукор - основну молекулу вуглеводів, вироблену безпосередньо в результаті фотосинтезу. Зв'язок фотосинтезу застосовується до кожного прийому їжі та кожної їжі, яку споживає людина.

Основні структури та резюме фотосинтезу

Фотосинтез вимагає сонячного світла, вуглекислого газу і води в якості вихідних реагентів (рис. \(\PageIndex{4}\)). Після завершення процесу фотосинтез вивільняє кисень і виробляє молекули вуглеводів, найчастіше глюкозу. Ці молекули цукру містять енергію, необхідну живим істотам, щоб вижити.

На цій фотографії зображено дерево. Стрілки вказують на те, що дерево використовує вуглекислий газ, воду та сонячне світло для отримання цукрів та виділення кисню. — **Малюнок \(\PageIndex{4}\):** Фотосинтез використовує сонячну енергію, вуглекислий газ та воду для виділення кисню та отримання молекул цукру, що зберігають енергію.

Складні реакції фотосинтезу можна узагальнити за допомогою хімічного рівняння, показаного на рис \(\PageIndex{5}\).

Показано рівняння фотосинтезу. Згідно з цим рівнянням шість молекул вуглекислого газу і шість молекул води виробляють одну молекулу цукру і одну молекулу кисню. Молекула цукру складається з 6 вуглеців, 12 водню і 6 оксигенів. В якості джерела енергії використовується сонячне світло. — **Малюнок \(\PageIndex{5}\):** Процес фотосинтезу можна представити рівнянням, в якому вуглекислий газ і вода виробляють цукор і кисень, використовуючи енергію сонячного світла.

Хоча рівняння виглядає простим, багато кроків, які відбуваються під час фотосинтезу, насправді є досить складними, як у тому, що реакція, що узагальнює клітинне дихання, представляла багато індивідуальних реакцій. Перш ніж дізнатися подробиці того, як фотоавтотрофи перетворюють сонячне світло на їжу, важливо ознайомитися з задіяними фізичними структурами.

У рослин фотосинтез відбувається переважно в листках, які складаються з безлічі шарів клітин і мають диференційовані верхню і нижню сторони. Процес фотосинтезу відбувається не на поверхневих шарах листа, а скоріше в середньому шарі, званому мезофілом (рис. \(\PageIndex{6}\)). Газообмін вуглекислого газу і кисню відбувається через невеликі, регульовані отвори, звані продихами.

У всіх автотрофних еукаріотах фотосинтез відбувається всередині органели, званої хлоропластом. У рослин хлоропласт містять клітини існують в мезофілі. Хлоропласти мають подвійну (внутрішню і зовнішню) мембрану. Усередині хлоропласта знаходиться третя мембрана, яка утворює складені, дископодібні структури, звані тилакоїдами. Вбудовані в тилакоідную мембрану молекули хлорофілу - пігменту (молекули, що поглинає світло), через який починається весь процес фотосинтезу. Хлорофіл відповідає за зелений колір рослин. Тилакоїдна мембрана охоплює внутрішній простір, зване тилакоїдним простором. Інші типи пігментів також беруть участь у фотосинтезі, але хлорофіл на сьогоднішній день є найважливішим. Як показано на малюнку \(\PageIndex{6}\), стопка тилакоидов називається гранулом, а простір, що оточує гранул, називається стромою (не плутати з продихи, отвори на листках).

АРТ КОНК

Верхня частина цієї ілюстрації показує поперечний переріз листа. У поперечному розрізі мезофіл затиснутий між верхнім епідермісом і нижнім епідермісом. Мезофіл має верхню частину з прямокутними осередками, вирівняними в ряд, а нижню - з осередками овальної форми. У нижньому епідермісі існує отвір, яке називається продихом. Середня частина цієї ілюстрації показує рослинну клітину з видатною центральною вакуоллю, ядром, рибосомами, мітохондріями та хлоропластами. Нижня частина цієї ілюстрації показує хлоропласт, який має панкейкоподібні стеки мембран всередині. — **Малюнок \(\PageIndex{6}\):** Не всі клітини листа здійснюють фотосинтез. Клітини в середньому шарі листа мають хлоропласти, які містять фотосинтетичний апарат. (кредитний «лист»: модифікація роботи Корі Занкер)

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

Дві частини фотосинтезу

Фотосинтез проходить у два етапи: світлозалежні реакції та цикл Кальвіна. У світлозалежних реакціях, які відбуваються у тилакоїдної мембрани, хлорофіл поглинає енергію від сонячного світла і потім перетворює її в хімічну енергію з використанням води. Світлозалежні реакції виділяють кисень з гідролізу води як побічний продукт. У циклі Кальвіна, який відбувається в стромі, 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.

Резюме

Процес фотосинтезу трансформував життя на землі. Використовуючи енергію від сонця, фотосинтез дозволив живим істотам отримати доступ до величезної кількості енергії. Завдяки фотосинтезу живі істоти отримали доступ до достатньої кількості енергії, що дозволило їм розвивати нові структури та досягати біорізноманіття, яке очевидне сьогодні.

Тільки певні організми, звані автотрофами, можуть здійснювати фотосинтез; їм потрібна присутність хлорофілу - спеціалізованого пігменту, який може поглинати світло і перетворювати світлову енергію в хімічну енергію. Фотосинтез використовує вуглекислий газ і воду для збору молекул вуглеводів (зазвичай глюкози) і виділяє кисень у повітря. Еукаріотичні автотрофи, такі як рослини та водорості, мають органели, звані хлоропластами, в яких відбувається фотосинтез.

Мистецькі зв'язки

Малюнок \(\PageIndex{6}\): У спекотний сухий день рослини закривають продихи для економії води. Який вплив це матиме на фотосинтез?

Відповідь: Рівень вуглекислого газу (реагенту) впаде, а рівень кисню (продукту) підвищиться. В результаті швидкість фотосинтезу сповільниться.

Глосарій

автотроф: організм, здатний виробляти власну їжу

хлорофіл: зелений пігмент, який захоплює світлову енергію, яка рухає реакції фотосинтезу

хлоропласт: органели, де відбувається фотосинтез

гранум: стопка тилакоидов, розташованих всередині хлоропласта

гетеротроф: організм, який споживає інші організми для їжі

світлозалежна реакція: перший етап фотосинтезу, де видиме світло поглинається з утворенням двох молекул, що несуть енергію (АТФ і НАДПХ)

мезофіл: середній шар клітин в листі

фотоавтотроф: організм, здатний синтезувати власні молекули їжі (накопичувати енергію), використовуючи енергію світла

пігменту: молекула, яка здатна поглинати світлову енергію

стома: отвір, що регулює газообмін і регулювання води між листям і навколишнім середовищем; множина: продихи

строма: наповнений рідиною простір, що оточує грану всередині хлоропласту, де відбуваються циклові реакції фотосинтезу Кальвіна

тилакоїд: дископодібна мембранна структура всередині хлоропласта, де світлозалежні реакції фотосинтезу відбуваються з використанням хлорофілу, вбудованого в мембрани

Дописувачі та атрибуції

Template:ContribOpenStaxConcepts