Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

2.4: Енергія потрапляє в екосистеми через фотосинтез

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    3040

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

    Клітини працюють на хімічній енергії, що знаходиться в основному в молекулах вуглеводів, 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, що зберігається в зв'язках для утримання цих молекул разом, виділяється, коли організм розщеплює їжу. Потім клітини використовують цю енергію для виконання роботи, наприклад, руху. 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. Коротше кажучи, харчуватися і дихати людиною майже повністю залежать від організмів, які здійснюють фотосинтез.

    Сонячна залежність і виробництво продуктів харчування

    альт
    Малюнок\(\PageIndex{1}\). (а) Рослини, (б) водорості та (c) 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)

    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 (рис.\(\PageIndex{1}\)). Океанічні водорості вносять величезну кількість їжі та кисню в глобальні харчові ланцюги. Більш конкретно, рослини - це фотоавтотрофи, тип 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.

    альт
    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)

    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 споживається організм - інша тварина, він відстежує свою накопичену енергію назад до автотрофів і процесу фотосинтезу. Люди є гетеротрофами, як і всі тварини і гриби. Гетеротрофи залежать від автотрофів, прямо або опосередковано. Наприклад, олень отримує енергію, поїдаючи рослини. Вовк, що їсть оленя, отримує енергію, яка спочатку походить від рослин, з'їдених цим оленем (рис.\(\PageIndex{2}\)). Використовуючи ці міркування, всю їжу, з'їдену людиною, можна простежити до автотрофів, які здійснюють фотосинтез.

    Короткий зміст фотосинтезу

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

    Фотосинтез вимагає сонячного світла, вуглекислого газу та води в якості вихідних реагентів (рис.\(\PageIndex{3}\)). Після завершення процесу фотосинтез виділяє кисень і виробляє молекули вуглеводів, найчастіше глюкозу. Ці молекули цукру містять енергію, необхідну живим істотам для виживання. Складні реакції фотосинтезу можна узагальнити за допомогою хімічного рівняння, показаного на малюнку\(\PageIndex{4}\) нижче.

    Хоча рівняння виглядає простим, багато кроків, які відбуваються під час фотосинтезу, насправді досить складні. У рослин фотосинтез відбувається насамперед в хлоропластах листя. 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.

    альт
    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 (C 6 H 12 O 6) і шість молекул кисню (O2).

    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 за допомогою води. Світлозалежні реакції виділяють кисень як побічний продукт від розщеплення води. У циклі Кальвіна хімічна енергія, отримана від світлозалежних реакцій, керує як захопленням вуглецю в молекулах вуглекислого газу, так і подальшим складанням молекул цукру.

    Глобальне значення фотосинтезу

    Процес фотосинтезу має вирішальне значення для біосфери з наступних причин:

    1. Він створює O 2, що важливо з двох причин. Молекулярний кисень в атмосфері Землі був створений фотосинтетичними організмами; без фотосинтезу не було б O 2 для підтримки клітинного дихання (див. Розділ 3.2), необхідного для складного, багатоклітинного життя. Фотосинтетичні бактерії, ймовірно, були першими організмами, які здійснили фотосинтез, починаючи 2-3 мільярди років тому. Завдяки їх активності та різноманітності сучасних фотосинтезуючих організмів, атмосфера Землі в даний час становить близько 21% O 2. Також цей О 2 життєво необхідний для створення озонового шару (див. Главу 10.2), який захищає життя від шкідливого ультрафіолетового випромінювання, що випромінюється сонцем. Озон (О 3) створюється з пробою і повторної збірки О 2.
    2. Він забезпечує енергією майже всі екосистеми. Перетворюючи енергію світла в хімічну енергію, фотосинтез забезпечує енергію, яку використовують організми, будь то рослини, коники, вовки чи гриби. Єдиний виняток є в дуже рідкісних і ізольованих екосистемах, таких як поблизу глибоководних гідротермальних отворів, де організми отримують енергію, яка спочатку надходила з мінералів, а не сонця.
    3. Він забезпечує вуглець, необхідний для органічних молекул. Організми в основному складаються з двох речей: води та органічних молекул, остання на основі вуглецю. Через процес фіксації вуглецю фотосинтез забирає вуглець з СО 2 і перетворює його в цукру (які є органічними). Вуглець у цих цукрах може бути повторно призначений для створення інших типів органічних молекул, необхідних організмам, таких як ліпіди, білки та нуклеїнові кислоти. Наприклад, вуглець, який використовувався для створення вашої ДНК, колись був CO 2, використовуваним фотосинтетичними організмами (див. Розділ 3.1 для отримання додаткової інформації про харчові мережі).

    Дописувачі та атрибуція