Фотосинтез

Процес фотосинтезу є одним з найважливіших біологічних процесів, що протікають у природі, адже саме завдяки йому відбувається утворення органічних речовин з вуглекислого газу і води під дією світла. Саме це явище і називають фотосинтезом. І що найважливіше, у процесі фотосинтезу відбувається виділення кисню, надзвичайно необхідного для існування життя на нашій дивовижній планеті. Якщо уявити  образно, то листок будь-якої рослини можна порівняти з маленькою лабораторією, вікна якої виходять на сонячну сторону. У цій самій лабораторії йде утворення органічних речовин і кисню, що є основою для існування  життя на Землі. 

Фотосинтез — процес синтезу органічних сполук з вуглекислого газу та води з використанням енергії світла й за участю фотосинтетичних пігментів часто з виділенням кисню як побічного продукту. Це надзвичайно складний процес, що включає довгу послідовність координованих біохімічних реакцій.

Історія вивчення фотосинтезу налічує близько 350 років! Багато вчених зробили  свій внесок у ці дослідження, і наче по крихтах складалось розуміння про цей важливий процес, який є основою сучасного життя на Землі.

Ще в 1600 році бельгійський учений Ян Ван Гельмонт зробив  експеримент: він зважив гілочку верби, після чого посадив її в горщик, у якому знаходилося 80 кг землі. А потім протягом п’яти років поливав рослину дощовою водою. Через 5 років виявилося, що вага рослини збільшилася на 75 кг, при тому, що маса землі зменшилася лише на 100 грамів. Звідки ж взялася настільки значна прибавка у вазі? Так було виявлено, що рослини здатні самостійно створювати собі поживні речовини.

Наступний важливий і цікавий експеримент був поставлений англійським ученим Джозефом Прістлі в 1771 році. Він помістив мишу під ковпак, і через п’ять днів вона померла. Потім він помістив ще одну мишу під ковпак, але цього  разу разом з мишкою під ковпаком була гілочка м’яти — і в результаті миша залишилася живою. Отриманий результат навів ученого на думку про те, що існує певний процес, протилежний диханню. Також був установлений факт, що зелені частини рослин здатні виділяти кисень.

Потім уже в 1782 році швейцарський учений Жан Сенеб’є довів, що вуглекислий газ під дією світла розкладається в зелених органелах рослин. А ще через 5 років французький учений Жак Бусенго виявив, що поглинання рослинами води відбувається разом із синтезом органічних речовин. 

На початку XX століття німецький учений Ріхард Вільштеттер установив, що тогочасна думка про різноманіття видів хлорофілу є помилковою і його структура у всіх рослинах однакова. За свою роботу дослідник здобув Нобелівську премію з хімії в 1915 році. Ріхард Вільштеттер — німецький хімік-органік — детально вивчив хімічну структуру хлорофілу, пігменту, який відіграє ключову роль у фотосинтезі. Він виявив, що хлорофіл складається з двох основних компонентів: хлорофілу а та хлорофілу b. Він також з'ясував, що в центрі молекули хлорофілу знаходиться атом магнію, який є необхідним для його функціонування. Вільштеттер провів ряд експериментів, які допомогли розкрити механізм фотосинтезу. Він показав, що фотосинтез — це складний процес, який має кілька етапів. У його доробку дані про  вплив різних факторів, таких як світло, температура та концентрація вуглекислого газу, на швидкість фотосинтезу. Унесок Ріхарда Вільштеттера у вивчення фотосинтезу є величезним. Його дослідження заклали основу для подальшого вивчення цього важливого процесу.

Такою була історія відкриття фотосинтезу. Яка ж сама суть цього дивовижного процесу? 

Процес фотосинтезу характеризується трьома принципами фотохімії:

1) хімічні зміни може здійснювати лише поглинуте світло;

2) кожний поглинутий фотон активує лише одну молекулу хлорофілу;

3) уся енергія кванта передається під час поглинання світла лише одному електрону, унаслідок чого він переходить на більш високий енергетичний рівень.

У хлоропластах хлорофіли й інші пігменти занурені в тилакоїди, зібрані у функціональні одиниці, так звані фотосистеми. Кожна фотосистема містить близько 250—400 молекулярних пігментів. Усі пігменти фотосистеми можуть поглинати фотони, але лише одна молекула хлорофілу даної фотосистеми може використовувати поглинуту енергію у фітохімічних реакціях.

Цю молекулу хлорофілу називають реакційним центром фотосистеми, а інші молекули пігментів — антенами, оскільки вони подібно до антен  збирають світло.

Рослини потребують різних довжин хвиль світла для ефективного фотосинтезу. Спектр освітлення повинен містити як видиме світло (червоне, оранжеве, жовте, синє, блакитне й фіолетове), так і невидимі ультрафіолетові (УФ) та інфрачервоні (ІЧ) промені. Кожна довжина хвилі грає свою роль  у різних фізіологічних процесах рослин.

Крок 2.  Світлова залежна реакція

   Далі в тилакоїдах хлоропластів відбувається світлова залежна реакція: енергія світла перетворюється на хімічну. Пігменти хлорофілу поглинають енергію світла та передають її електронам, викликаючи їхнє збудження.

Крок 3.  Фотофосфорилювання

   Збудженні електрони передаються через електроннотранспортний ланцюг у мембрані тилакоїда. Так звільняється енергія, що використовується для створення градієнта протонів (H+) через мембрану. Градієнт протонів використовується ферментом АТФ-синтазою для синтезу молекул аденозинтрифосфату (АТФ)  —   основного джерела енергії в клітині.

Крок 5.  Світлонезалежна реакція (цикл Кальвіна)

Цикл Кальвіна, також відомий як темнова фаза фотосинтезу або світлонезалежна реакція, є важливою частиною процесу фотосинтезу. Він відбувається в стромі хлоропластів рослин і включає низку хімічних реакцій, спрямованих на фіксацію вуглекислого газу та утворення органічних молекул.

Кінцеві сполуки циклу Кальвіна — п’ятикарбоновий цукор із двома фосфатними групами — рибулозо-1,5-біфосфат. Процес починається, коли СО2 в циклі фіксується на рибулозо-1,5-біфосфат. Утворена таким чином сполука згодом розщеплюється на 2 молекули 3-фосфогліцерату. Кожна молекула 3-фосфогліцерату складається з трьох атомів Карбону. У повному циклі Кальвіна кожна окрема реакція каталізується специфічним ферментом. Цикл Кальвіна — це єдиний шлях фіксації Карбону в темнових реакціях.

Необхідно здійснити шість циклів з поглинанням шести атомів Карбону, щоб утворився шестикарбоновий цукор — глюкоза. Сумарне рівняння синтезу глюкози можна записати так:

6СО2 + 12НАДФ·Н2 + 18АТФ → С6Н12О6 + 12НАДФ + 18АДФ + 18Н3РО4 + 6Н2О

Крім глюкози, під час темнової фази відбувається синтез амінокислот (складові білків), нуклеотидів (складові ДНК), жирів та спиртів, які використовуються рослинами в процесі життєдіяльності.

У процесі фотосинтезу в зелених частинах рослин під впливом сонячних променів починає утворюватися кисень і величезна кількість енергії. Дана енергія використовується рослинами для власних потреб тільки частково, а невитрачений потенціал накопичується. Потім рослини йдуть на корм травоїдним тваринам, які отримують за рахунок цього необхідні поживні речовини, без яких їхній розвиток буде неможливим. Потім травоїдні тварини стають їжею для хижаків, їм також необхідна енергія, без якої життя просто зупиниться. Фотосинтез — це основний процес утворення органічних речовин, що в поєднанні з асиміляцією мінеральних солей із ґрунту створює біомасу рослин.

Акопян Дамір, 8Б

Озоновий шар, що сформувався в атмосфері з кисню, захищає все живе від згубного ультрафіолетового випромінювання, а також запобігає розпаду молекул води. Яким би повільним не було розщеплення молекул води під дією ультрафіолету, за два мільярди років існування оксигенного фотосинтезу (фотосинтезу, у ході якого утворюється кисень) цей процес міг би знищити запаси води у Світовому океані, як це, можливо, сталося на Марсі. Кисень, що наситив понад мільярд років тому Світовий океан, окиснив розчинний двовалентний Ферум до нерозчинних сполук тривалентного, які випали в осад з утворенням залізної руди, що її активно використовує людство. Так само кисень очистив океан від домішок Сульфуру, а атмосферу — від метану.

Фотосинтезувальні організми почали поглинати та виводити Карбон із колообігу речовин у природі, накопичуючи його сполуки в собі. Так утворилися нафта, природний газ і кам’яне вугілля. Кисень змінив і живу природу. Оскільки він найпотужніший після фтору окисник, то його почали використовувати живі організми для дихання. Окиснення водню киснем дає значно більше енергії, ніж окиснення залізом (залізне дихання), сульфатною (сульфатне дихання) чи нітратною (нітратне дихання) кислотами. А продуктом окиснення є вода. Такий зручний і ефективний спосіб дихання дав змогу організмам стати більшими і, урешті-решт, багатоклітинними. Отже, можна впевнено заявляти, що без кисню на планеті не було б живих організмів, складніших за бактерії.

Сюсяйло Ксенія, 7А