Фотосинтез – это название, данное набору биохимических реакций, которые превращают углекислый газ и воду в сахарную глюкозу и кислород. Читайте дальше, чтобы узнать больше об этой увлекательной и важной концепции.
Глюкоза – это не просто еда
Хотя сахарная глюкоза используется для получения энергии, у нее есть и другие цели. Например, растения используют глюкозу как строительный блок для создания крахмала для длительного хранения энергии и целлюлозу для создания структур.
Листья зеленые из-за хлорофилла
Хлорофилл – не единственный фотосинтетический пигмент
Хлорофилл – это не отдельная молекула пигмента, а скорее семейство родственных молекул, имеющих схожую структуру. Существуют и другие молекулы пигмента, которые поглощают/отражают световые волны различной длины.
Растения кажутся зелеными, потому что их самый распространенный пигмент – хлорофилл, но иногда можно увидеть и другие молекулы. Осенью листья вырабатывают меньше хлорофилла, чтобы подготовиться к зиме. По мере замедления выработки хлорофилла листья меняют цвет . Вы можете увидеть красный, фиолетовый и золотой цвета других фотосинтетических пигментов. Водоросли обычно имеют и другие цвета.
Растения осуществляют фотосинтез в органеллах, называемых хлоропластами
Митохондрии выполняют аэробное клеточное дыхание, которое использует кислород для образования аденозинтрифосфата (АТФ). Разрыв одной или нескольких фосфатных групп в молекуле высвобождает энергию в той форме, которую могут использовать клетки растений и животных.
Хлоропласты содержат хлорофилл, который используется в фотосинтезе для производства глюкозы. Хлоропласт содержит структуры, называемые грана и строма. Грана напоминают стопку блинов. В совокупности граны образуют структуру, называемую тилакоидом . Грана и тилакоид – это место, где происходят светозависимые химические реакции (с участием хлорофилла). Жидкость вокруг граны называется стромой. Здесь происходят светонезависимые реакции. Независимые от света реакции иногда называют «темновыми реакциями», но это просто означает, что свет не требуется. Реакции могут происходить при наличии света.
Магическое число – шесть
Глюкоза – это простой сахар, но это большая молекула по сравнению с углекислым газом или водой. Для образования одной молекулы глюкозы и шести молекул кислорода требуется шесть молекул углекислого газа и шесть молекул воды. Сбалансированное химическое уравнение для общей реакции:
6CO2(г) + 6H2O(л) → C6H12O6 + 6O2(г)
Фотосинтез – это обратное клеточному дыханию
И фотосинтез, и клеточное дыхание дают молекулы, используемые для получения энергии. Тем не менее, фотосинтез производит сахарную глюкозу, которая является молекулой хранения энергии. Клеточное дыхание превращает сахар в форму, которую могут использовать как растения, так и животные.
Фотосинтез требует углекислого газа и воды для производства сахара и кислорода. Клеточное дыхание использует кислород и сахар для высвобождения энергии, углекислого газа и воды.
Растения и другие фотосинтезирующие организмы выполняют оба набора реакций. В дневное время большинство растений поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Днем и ночью растения используют кислород для высвобождения энергии из сахара и выделения углекислого газа. У растений эти реакции неодинаковы. Зеленые растения выделяют гораздо больше кислорода, чем используют. Фактически, они ответственны за пригодную для дыхания атмосферу Земли.
Растения – не единственные организмы, которые осуществляют фотосинтез
Большинство людей знают, что водоросли и некоторые одноклеточные организмы фотосинтезируют, но знаете ли вы, что некоторые многоклеточные животные тоже делают это? Некоторые потребители используют фотосинтез в качестве вторичного источника энергии. Например, вид морского слизня (Elysia chlorotica) крадет хлоропласты фотосинтетических органелл у водорослей и помещает их в свои собственные клетки. Пятнистая саламандра (Ambystoma maculatum) находится в симбиотических отношениях с водорослями, используя дополнительный кислород для снабжения митохондрий. Восточный шершень (Vespa orientalis) использует пигмент ксантоперин для преобразования света в электричество, которое он использует как своего рода солнечную батарею для ночной активности.
Существует несколько форм фотосинтеза
Общая реакция описывает вход и выход фотосинтеза, но растения используют разные наборы реакций для достижения этого результата. Все растения используют два основных пути: световые реакции и темновые реакции (цикл Кальвина).
«Нормальный» фотосинтез, или C3, происходит, когда у растений много доступной воды. Этот набор реакций использует фермент RuBP карбоксилазу для реакции с диоксидом углерода. Этот процесс очень эффективен, поскольку в растительной клетке могут одновременно происходить световые и темновые реакции.
В фотосинтезе C4 вместо RuBP-карбоксилазы используется фермент PEP-карбоксилаза. Этот фермент полезен, когда воды может быть мало, но все фотосинтетические реакции не могут происходить в одних и тех же клетках.
При метаболизме кассулосовой кислоты или фотосинтезе CAM, углекислый газ попадает в растения только ночью, где он хранится в вакуолях для переработки в течение дня. Фотосинтез CAM помогает растениям экономить воду, потому что устьица листьев открываются только ночью, когда прохладнее и влажнее. Недостатком является то, что растение может производить глюкозу только из накопленного углекислого газа. Поскольку производится меньше глюкозы, пустынные растения, использующие фотосинтез САМ, имеют тенденцию к очень медленному росту.
Растения созданы для фотосинтеза
В том, что касается фотосинтеза, растения – настоящие волшебники. Вся их структура построена для поддержки процесса. Корни растения предназначены для поглощения воды, которая затем транспортируется специальной сосудистой тканью, называемой ксилемой, поэтому она может быть доступна в фотосинтезирующем стебле и листьях. Листья содержат специальные поры, называемые устьицами, которые контролируют газообмен и ограничивают потерю воды. Листья могут иметь восковой налет, чтобы минимизировать потерю воды. У некоторых растений есть колючки, способствующие конденсации воды.
Фотосинтез делает планету пригодной для жизни
Большинство людей знают, что фотосинтез высвобождает кислород, необходимый животным для жизни, но другим важным компонентом реакции является фиксация углерода. Фотосинтезирующие организмы удаляют из воздуха углекислый газ. Углекислый газ превращается в другие органические соединения, поддерживающие жизнь. В то время как животные выдыхают углекислый газ, деревья и водоросли действуют как поглотитель углерода, удерживая большую часть этого элемента в воздухе.
Основные выводы о фотосинтезе
- Фотосинтез – это набор химических реакций, в которых энергия солнца превращает углекислый газ и воду в глюкозу и кислород.
- Солнечный свет чаще всего используется хлорофиллом, который имеет зеленый цвет, потому что отражает зеленый свет. Однако есть и другие пигменты, которые тоже видны.
- Растения, водоросли, цианобактерии и некоторые простейшие осуществляют фотосинтез. Некоторые животные тоже фотосинтезируют.
- Фотосинтез может быть самой важной химической реакцией на планете, потому что он выделяет кислород и улавливает углерод.