Определение фотосинтеза: история открытия, основные задачи, интересные факты

Определение процесса фотосинтеза: какая наука его изучает

Фотосинтез является уникальным и неизмеримо значимым процессом в биосфере нашей планеты, так как он служит начальным звеном в создании органических веществ и энергии для большинства живых существ. Ещё в прошлом биологии он был одной из основных тем для изучения. Но и сейчас, в эпоху генетики и генной инженерии, фотосинтез остается важной темой, интересующей учёных. Однозначного ответа на вопрос, какая наука изучает процесс фотосинтеза, нет. В основном изучает фотосинтез биология и её более узкая специализация ботаника, которая изучает растения и процессы, происходящие в них. Кроме биологов, интересен процесс фотосинтеза и химикам.

Определение понятия

Кратко фотосинтез можно охарактеризовать как производство кислорода из света живыми существами. Изучая процесс подробнее, нужно разграничивать определения фотосинтез и фотоафтотрофия (оксигенная и аноксигенная). Растения осуществляют оксигенную фотоафтотрофию. Это относится и к высшим, и к низшим их формам, а также к представителям царства Бактерий — цианобактериям.

Характеризуют этот процесс следующие признаки:

• Автотрофный тип питания (органические вещества синтезируются из неорганических);
• Источником энергии является свет;
• В результате производится кислород;

Фотосинтезирующими являются и некоторые другие виды бактерий — пурпурные серные и несерные, зеленые серобактерии, галобактерии и прочие. Однако для них характерна аноксигенная фотоафтотрофия, иначе называемая фоторедукцией.

Процесс синтеза кислорода запускается светом и происходит лишь в зеленых пластидах. Это могут быть хлоропласты высших растений, мембраны цианобактерий или же хроматофоры водорослей. Все они имеют в мембранах хлорофилл.

История открытия процесса

• В 1771 году Джозеф Пристли заметил, что растения выделяют кислород, так как воздух становится годным для дыхания и процессов горения;
• В 1779 году Ян Ингенхауз сделал наблюдение, что это происходит лишь под действием света;
• В 1782 году Жан Сенебье открыл, что кислород выделяется исключительно зелеными частями растений и лишь тогда, когда воздух содержит углекислый газ;
• В 1804 году Николя Соссюр подсчитал, что объем потребляемого растениями углекислого газа равен объему производимого ими кислорода. На основе этого наблюдение был сделан вывод об их углеродном питании. Также стало известно, что в процессе производства кислорода задействована вода;
• В 1817 году Пельтье и Каванту обнаружили зеленый пигмент растений, которому дали название хлорофилл;
• В 1840 году Жан-Батистом Буссенго было составлено общее уравнение процесса (6СО2+6Н2О=С6Н12О6+6О2);
• В 1842 году Р. Майром было сформулировано положение — растениями свет превращается в химическую энергию;
• В 1864 году У. Сакс открыл, что основным продуктом синтеза, происходящего в листьях, является крахмал;
• В 1869 году К. А. Тимирязев при помощи экспериментов доказал, что зеленые листья накапливают и трансформируют энергию, а также то, что для этого необходим свет красного спектра;
• В 1877 году В. Пфеффером был введен термин «фотосинтез».

Основные задачи фотосинтеза

Для растений этот процесс является основой жизнедеятельности — питания, обменных процессов. Но не меньше значение он имеет и для всей Земли. От него зависят:

• Выработка кислорода в масштабах, поддерживающих жизнедеятельность бесчисленных аэробных организмов;
• Защита Земли от космического излучения: с помощью фотосинтеза создается и поддерживается озоновый экран;
• Поддержание газового состава и баланса атмосферы, регуляция уровня содержания в ней углекислого газа;
• Защита от парникового эффекта.

Интересные факты

• Существуют нефотосинтезирующие растения, в которых не содержится хлорофилл. Это микогетеротрофы, являющиеся паразитами грибов. Например, подъельник одноцветковый — белое растение, у которого отсутствуют листья. Отличающий его от большинства растений белый цвет — признак того, что он не нуждается в свете и может жить в темноте.
• Так называемый морской слизень, живущий в соленых водоёмах на небольшой глубине, усваивает хлоропласты водорослей, которые живут в его организме некоторое время. Они продолжают процесс фотосинтеза, а слизень питается его продуктом — глюкозой.
• Установлено, что в природной среде обитания фотосинтезирующие бактерии имеют возможность использовать различные источники света, наряду с естественным светом Солнца. Потому такие бактерии могут жить в недоступных солнечному свету местах. Это открытие было сделано в 2005 году учеными университета Британской Колумбии. В пробах из окрестностей термального источника на Коста-Рике, взятых на большой глубине, куда не проникает солнечный свет. В образцах была найдена серобактерия, содержащая особый хлорофилл. Вероятно, она фотосинтезирует с помощью тусклого длинноволнового света гидротермальных источников.
• По результатам наблюдений в 1970-х годах было установлено, что мощность энергии Солнца, потребляемой растениями для фотосинтеза, намного превосходила мощность всех земных электрических станций.

Интересные факты о фотосинтезе

Фотосинтез — уникальный в своем роде биологический механизм, позволяющий использовать солнечную энергию для преобразования углекислого газа в питательные вещества. Главными участниками этого сложного, но жизненно необходимого, процесса являются зеленые растения. Каждый листок можно назвать мини-фабрикой по производству кислорода, потребляемого потом человеком и животными. Интересен и тот факт, что запасы нефти, природного газа и каменного угля — это тоже энергия солнца, трансформированная в полезные ископаемые путем фотосинтеза.

В глубины истории

Лекари средневековья помимо медицинской практики должны были хорошо разбираться еще и в гомеопатии. Поскольку многие лекарства готовились из растений, то знания ботаники считались обязательным условием для подтверждения своей репутации. Самые любознательные врачеватели занимались выращиванием лекарственных средств самостоятельно, проводя над ними различные опыты. К таким «умным и прогрессивным» принадлежал и голландец Ян Баптист Ван-Гельмонт (1579-1644).

Целью его научного эксперимента было узнать, каким образом растут растения. Если с животными вопросов не возникало, так как существовала прямая и наглядная связь между поглощением пищи и увеличением их в размерах, то каким образом из крохотного семечка вырастают огромные деревья, было непонятно.

Опыт состоял в следующем. Ван-Гельмонт подготовил ведро, засыпал в него землю, предварительно просушенную в печи, посадил туда ивовую лозу и щедро полил дождевой водой. В течение 5 лет он тщательно следил, как развивается его «детище», создавая ему комфортные условия для роста. По истечению намеченного времени ученый извлек молодое деревце, очистил его от земли и взвесил, а потом то же самое проделал с почвой из ведра. Оказалось, что масса ивы и земли изменились непропорционально. Лоза увеличилась в весе на несколько десятков килограммов, а почва всего на 100 г. На основании результатов эксперимента голландец объяснил разницу масс поглощением вод. Вывод оказался ошибочным, равно как и основанная на нем теория водного питания растений.

Примерно через столетие Джозеф Пристли (1733-1804) открыл кислород, аммиак, сернистый газ, а также сумел получить хлористый водород. Ученого-химика интересовал один вопрос: почему воздух на природе гораздо чище городского? По его предположениям растения играли роль некого природного абсорбента загрязнений, поступающих в воздух из труб промышленных заводов, а также продуктов жизнедеятельности человека. Чтобы проверить свои предположения, были проведены опытные исследования. Под два одинаковых стеклянных колпака посадили по мыши, только в одном ничего, кроме подопытного образца, не находилось, а в другой поместили веточку мяты. В результате первая мышь быстро умерла, а вторая чувствовала себя превосходно. Мало того, побег растения за время наблюдения даже подрос на три дюйма.

Эксперимент был с интересом принят в научном мире, но устойчивой стабильности при повторных пробах не показал. В одних случаях грызуны дышали хорошо, в других умирали даже при наличии в колбах растений. Истина так и осталась не подтвержденной, так как лаборатория Пристли попала под удар консервативно настроенных англичан, и все оборудование вместе с богатейшей библиотекой было варварски уничтожено. А вот среди народа идея очистки воздуха зеленью получила широкое распространение. Люди массово начали заниматься разведением цветов в домах, где находились больные. Причем свято верили, что нужно плотно закрывать входные двери, чтоб «вредный» наружный воздух не смешивался с внутренним лечебным.

Значительно продвинулся в изучении физических свойств растений еще один голландец, врач Ингенгауз (1730-1799). Именно он доказал, что улучшать воздух способны только зеленые части, да и то при условии, что они находятся на свету. Корни, цветы, почки и листья, оставленные в темноте, вышеизложенными свойствами обладать не могут.

Естествоиспытатель Жан Сенебье (1742-1809) первым озвучил тот факт, что источником углерода для зеленых растений является углекислый газ. Тогда же появился и термин «физиология растений», а вслед за ним был издан первый учебник по этой дисциплине. Работу Сенебье продолжил его соотечественник, швейцарец Никола Теодор Соссюр (1767-1845). Физик, химик и геолог в одном лице, он установил цепочку химических реакций по поглощению углерода из углекислого газа и последующего выделения кислорода. Также он доказал, что растения, как и животные с людьми, дышат, выделяя в воздух углекислый газ и потребляя кислород.

Сам же термин «фотосинтез» появился в 1877 г., его авторство принадлежит Вильгельму Пфефферу (1845-1920). Он структурировал все знания, полученные ранее от коллег ученых, и дал определение процессу преобразования солнечной энергии в энергию органических соединений.

Фотосинтез и урожай — какая связь?

Используя в обычной жизни бумагу, строительные материалы и разные бытовые предметы мало кто задумывается, что все эти привычные вещи — результат фотосинтеза культурных растений. Органические вещества, образуемые в ходе сложного химического процесса, служат основой для производства продуктов питания, лекарств и других средств для удовлетворения потребностей человека.

Растения, выращиваемые культурны способом, способны быстро развиваться и, соответственно, улавливать огромное количество солнечной энергии. В процессе фотосинтеза выделяется бесчисленное множество разнообразной органики, поэтому зная механизмы управления ним, можно значительно повысить продуктивность урожая.

Интересно, что главным сдерживающим фактором фотосинтеза является дефицит углекислого газа. В естественных условиях процент его содержания в воздухе составляет 0,03%. Однако над активно фотосинтезирующим полем, например, сахарной свеклы этот показатель будет почти в 2-3 раза меньше. Чтобы получить средний урожай над полем должен переработаться огромный объем воздуха. Для наглядности, посевы той же свеклы в сутки «съедают» почти 300-400 кг углекислого газа.

Повысить интенсивность фотосинтеза можно путем искусственного наращения концентрации углекислого газа до отметки 1,5%. Эту оптимальную величину определил опытным путем известный российский физиолог Владимир Любименко. Вся проблема заключается в том, что даже при наличии должного уровня технологий пойти на такой шаг человечество не решится. Изменения содержания СО2 в воздухе повлечет за собой нарушение теплого баланса всей планеты — тот самый пресловутый парниковый эффект, о котором часто говорят экологи.

Перегрев земли может повлиять на поднятие уровня Мирового океана за счет таяния арктических ледников, что в свою очередь приведет к сокращению суши, занятой под сельскохозяйственные нужды. Другой путь получить независимость от низкой концентрации СО2 в разрезе урожайности — это выведение так называемых С4-растений, обладающих повышенными свойствами к фотосинтезу. При оптимальных условиях ухода (полив, удобрение, освещение) коэффициент полезного использования света возможно повысить в несколько раз.

Более рационально использовать солнечную энергию можно, подойдя к вопросу выращивания растений с позиции оптимального их расположения относительно друг друга. При слишком большом расстоянии между посевами весомая часть света пропадает впустую, а при излишнем загустении стебли саженцев теряют силу, становятся ломкими и длинными, плохо противостоят ветру и дождю. В обоих случаях продуктивность урожая будет низкой. Также необходимо обращать внимание на систему полива и удобрения, так как существует прямая зависимость между интенсивностью фотосинтеза и условиями водоснабжения.

Ученые доказали еще один интересный факт. Оказывается, растения с компактной низкорослой кроной способны гораздо активнее фотосинтезировать, чем их высокорослые «собратья» с раскидистой формой листьев. На сегодняшний день селекционерами уже выведен ряд культурных сортов, отвечающих современным требованиям. К их числу относится карликовая пшеница (Мексика), низкорослый рис (Филиппины), хлопчатник Дуплекс (Таджикистан).

Фотосинтез хвойных деревьев — это интересно

Кажется логичным, что зимой жизнедеятельность растений резко снижается: прекращается рост, обмен веществ затормаживается, скорость дыхания уменьшается в сотни раз. Но эта вся история о листопадных деревьях, а что происходит с вечнозеленой хвоей — елями, пихтами, соснами и т. д.? По этому поводу учеными были проведены исследования, открывшие множество удивительных фактов. Оказывается, хвойные растения и зимние злаки способны усваивать углекислый газ даже при минусовой температуре, до -1-5 °С.

Не вдаваясь в сложные научные изыскания, опытным путем была выведена некая закономерность. При понижении отметки термометра до -13 С у разных растений началось резкое понижение скорости фотосинтеза. В список самых устойчивых к температурным перепадам попала сосна и ель обыкновенная, линнея северная и несколько видов мхов. Причем ряд мхов не теряли способность к поглощению СО2 даже под снежным покровом, превышающим 20 см.

Интенсивность проникновения световых лучей сквозь такой толстый слой снега снижалась примерно в 15-20 раз, но по факту скорость процессов фотосинтеза у покрытых и непокрытых растений оказалась одинаковой. Это удивительное явления имеет свое объяснение. Озимые и лишайники, оказавшиеся под снегом, пребывали в более комфортных климатических условиях, что и позволило им компенсировать спад фотосинтеза. Опыты показали, что затяжная зима не является преградой для поглощения углекислого газа вечнозелеными растениями.

Откуда кислород?

Учеными подсчитано, что количество кислорода в атмосфере и гидросфере Земли составляет примерно 1000000 млрд. тонн. Его производителями принято считать анаэробные организмы, существовавшие миллионы лет назад. И только на основе накопленного кислорода на планете стали развиваться аэробные организмы, получившие способность добывать синтезировать энергию из органического «сырья» в ходе окислительных процессов.

Доказано, что большая часть кислорода, генерируемого современной растительностью в процессе фотосинтеза, идет на обслуживание жизнедеятельности самих растений, а также человека и животных. То есть накопления практически не происходит. Есть взять суммарную массу кислорода, продуцируемого лесами, допустим, за год, то окажется, что его удельный вес в объеме общих запасов Земли ничтожно мал. В пропорциональном отношении это выглядит как 1/22000. Кажется удивительным, но текущий вклад наземных экосистем в мировую кислородную «копилку» практически незаметен. Компенсация О («oxygen»), теряемого в процессе горения, происходит за счет фитопланктона.

Также интересно, что концентрация кислорода в атмосфере по сравнению с прошлым веком (наблюдения ведутся с 1910 г.) существенно не изменилась. А вот темпы его использования рекордно возросли, если не сказать больше. Только за последние 50 лет человечество «переработало» кислорода столько, сколько за предыдущие миллион лет. В процентном измерении это исчисляется, как 0,02% от общего мирового атмосферного запаса.

Угрозы для кислородного голодания на ближайшие несколько столетий не наблюдается, однако первостепенной задачей становится сохранить стабильность газового состава атмосферы, направив силы на активное использование ветряной, водной, солнечной и прочих незадействованных в полной мере видов энергии.

Вернувшись к истокам происхождения фотосинтезирующих организмов и их участия в накоплении кислорода, можно прийти к ряду познавательных выводов. Например, если взять все нетронутые запасы торфа, угля, нефти и прочих горючих ископаемых, сделать перерасчет по формуле фотосинтеза, то можно определить количество кислорода, выработанного в результате жизнедеятельности растений, попавших в итоге в категорию полезных ископаемых.

Но вот здесь ученые и упираются в главный вопрос — как могли деревья и растения каменноугольного периода синтезировать кислород, если их существование в атмосфере, лишенной его, невозможно? Как они дышали и жили в принципе? Разгадка кроется в древних геологических слоях земной коры. Именно там были обнаружены следы синезеленых водорослей, которые и стали первичными накопителями кислорода. Поскольку способностью дышать они обладать не могли, то вероятнее всего механизм распада органических веществ в их клетках был приближен к процессу брожения.

Что же касается современной растительности, то вклад ее в общую копилку кислородного запаса достаточно условен. Здесь работает правило равновесия: сколько кислорода выделяется в результате фотосинтеза, примерно столько же и потребляется.

Учебник | Фотосинтез

История открытия фотосинтеза

В начале XVII в. фламандский врач Ван Гельмонт вырастил в кадке с землёй дерево, которое он поливал только дождевой водой. Он заметил, что спустя пять лет, дерево выросло до больших размеров, хотя количество земли в кадке практически не уменьшилось. Ван Гельмонт, естественно, сделал вывод, что материал, из которого образовалось дерево произошел из воды, использованной для полива.

В 1777 английский ботаник Стивен Хейлс опубликовал книгу, в которой сообщалось, что в качестве питательного вещества, необходимого для роста, растения используют главным образом воздух. В тот же период знаменитый английский химик Джозеф Пристли (он был одним из первооткрывателей кислорода) провел серию опытов по горению и дыханию и пришел к выводу о том, что зелёные растения способны совершать все те дыхательные процессы, которые были обнаружены в тканях животных. Пристли сжигал свечу в замкнутом объёме воздуха, и обнаруживал, что получавшийся при этом воздух уже не может поддерживать горение. Мышь, помещенная в такой сосуд, умирала. Однако веточка мяты продолжала жить в воздухе неделями.

В заключение Пристли обнаружил, что в воздухе, восстановленном веточкой мяты, вновь стала гореть свеча, могла дышать мышь. Теперь мы знаем, что свеча, сгорая, потребляла кислород из замкнутого объема воздуха, но затем воздух снова насыщался кислородом благодаря фотосинтезу, происходившему в оставленной веточке мяты. Спустя несколько лет голландский врач Ингенхауз обнаружил, что растения окисляют кислород лишь на солнечном свету и что только их зелёные части обеспечивают выделение кислорода. В 1817 г. два французских химика, Пельтье и Каванту, выделили из листьев зелёное вещество и назвали его хлорофиллом. Следующей важной вехой в истории изучения фотосинтеза было сделанное в 1845 г. немецким физиком Робертом Майером утверждение о том, что зеленые растения преобразуют энергию, солнечного света в химическую энергию.

Лимитирующие факторы

Интенсивность, или скорость процесса фотосинтеза в растении зависит от ряда внутренних и внешних факторов. Из внутренних факторов наиболее важное значение имеют структура листа и содержание в нем хлорофилла, скорость накопления продуктов фотосинтеза в хлоропластах, влияние ферментов, а также наличие малых концентраций необходимых неорганических веществ. Внешние параметры – это количество и качество света, попадающего на листья, температура окружающей среды, концентрация углекислоты и кислорода в атмосфере вблизи растения.

Скорость фотосинтеза возрастает линейно, или прямо пропорционально увеличению интенсивности света. По мере дальнейшего увеличения интенсивности света нарастание фотосинтеза становится все менее и менее выраженным, и, наконец, прекращается, когда освещенность достигает определенного уровня 10000 люкс. Дальнейшее увеличение интенсивности света уже не влияет на скорость фотосинтеза. Область стабильной скорости фотосинтеза называется областью светонасыщения. Если нужно увеличить скорость фотосинтеза в этой области, следует изменять не интенсивность света, а какие-либо другие факторы. Интенсивность солнечного света, попадающего в ясный летний день на поверхность земли, во многих местах нашей планеты составляет примерно 100000 люкс. Следовательно, растениям, за исключением тех, которые растут в густых лесах и в тени, падающего солнечного света бывает достаточно для насыщения их фотосинтетической активности (энергия квантов, соответствующих крайним участкам видимого диапазона – фиолетового и красного, различается всего лишь в два раза, и все фотоны этого диапазона в принципе способны осуществить запуск фотосинтеза).

В случае низких интенсивностей света скорость фотосинтеза при 15 и 25°С одинакова. Реакции, протекающие при таких интенсивностях света, которые соответствуют области лимитирования света, подобно истинным фотохимическим реакциям, не чувствительны к температурам. Однако при более высоких интенсивностях скорость фотосинтеза при 25°С гораздо выше, чем при 15°С. Следовательно, в области светового насыщения уровень фотосинтеза зависит не только от поглощения фотонов, но и от других факторов. Большинство растений в умеренном климате хорошо функционируют в интервале температур от 10 до 35°С, наиболее благоприятные условия – это температура около 25°С.

В области лимитирования светом скорость фотосинтеза не изменяется при уменьшении концентрации СО2 . Отсюда можно сделать вывод, что СO2 участвует непосредственно в фотохимической реакции. В то же время при более высоких интенсивностях освещения, лежащих за пределами области лимитирования, фотосинтез существенно возрастает при увеличении концентрации СО2. У некоторых зерновых культур фотосинтез линейно возрастал при увеличении концентрации СО2 до 0,5%. (эти измерения проводили в кратковременных опытах, поскольку длительное воздействие высоких концентраций СО2 повреждает листы). Высоких значений скорость фотосинтеза достигает при содержании СO2 около 0,1%.

Средняя концентрация углекислоты в атмосфере составляет от 0,03%. Поэтому в обычных условиях растениям не хватает СО2 для того, чтобы с максимальной эффективностью использовать попадающий на них солнечный свет. Если помещенное в замкнутый объем растение освещать светом насыщающей интенсивности, то концентрация СО2 в объеме воздуха будет постепенно уменьшаться и достигнет постоянного уровня, известного под названием «СO2 компенсационного пункта». В этой точке появление СО2 при фотосинтезе уравновешивается выделением О2 в результате дыхания (темнового и светового). У растений разных видов положения компенсационных пунктов различны.

Световые и темновые реакции

Еще в 1905 г. английский физиолог растений Ф. Ф. Блекмэн, интерпретируя форму кривой светового насыщения фотосинтеза, высказал предположение, что фотосинтез представляет собой двухстадийный процесс, включающий фотохимическую, т.е. светочувствительную реакцию и нефотохимическую, т. е. темновую, реакцию. Темновая реакция, будучи ферментативной, протекает медленнее, чем световая реакция, и поэтому при высоких интенсивностях света скорость фотосинтеза полностью определяется скоростью темновой реакции. Световая реакция либо вообще не зависит от температуры, либо зависимость эта выражена очень слабо, тогда темновая реакция, как и все ферментативные процессы, зависит от температуры в довольно значительно и степени.

Следует ясно представлять себе, что реакция, называемая темновой, может протекать как в темноте, так и на свету. Световую и темновую реакции можно разделить, используя вспышки света, длящиеся краткие доли секунды. Вспышки света длительностью меньше одной миллисекунды (10-3 с) можно получить либо с помощью механического приспособления, поставив на пути пучка постоянного света вращающийся диск со щелью, либо электрически, заряжая конденсатор и разряжая его через вакуумную или газоразрядную лампу. В качестве источников света пользуются также рубиновыми лазерами с длиной волны излучения 694 нм. В 1932 г. Эмерсон и Арнольд освещали суспензию клеток вспышками света от газоразрядной лампы с длительностью около 10-3с. Они измеряли скорость выделения кислорода в зависимости от энергии вспышек, длительности темнового промежутка между вспышками и температуры суспензии клеток. При увеличении интенсивности вспышек насыщение фотосинтеза в нормальных клетках наступало, когда выделялась одна молекула O2 на 2500 молекул хлорофилла. Эмерсон и Арнольд сделали вывод, что максимальный выход фотосинтеза определяется не числом молекул хлорофилла, поглощающих свет, а числом молекул фермента, катализирующего темновую реакцию.

Они также обнаружили, что при увеличении темновых интервалов между последовательными вспышками за пределы 0,06 с выход кислорода в расчете на одну вспышку уже не зависел от длительности темнового интервала, тогда как при более коротких промежутках он возрастал с увеличением длительности темнового интервала (от 0 до 0,06 с). Таким образом, темновая реакция, которая определяет уровень насыщения фотосинтеза, завершается примерно за 0,06 с. На основе этих данных было рассчитано, что среднее время, характеризующее скорость реакции, составило около 0,02 с при 25°С.

Определение процесса фотосинтеза: какая наука его изучает

Фотосинтез является уникальным и неизмеримо значимым процессом в биосфере нашей планеты, так как он служит начальным звеном в создании органических веществ и энергии для большинства живых существ. Ещё в прошлом биологии он был одной из основных тем для изучения. Но и сейчас, в эпоху генетики и генной инженерии, фотосинтез остается важной темой, интересующей учёных. Однозначного ответа на вопрос, какая наука изучает процесс фотосинтеза, нет. В основном изучает фотосинтез биология и её более узкая специализация ботаника, которая изучает растения и процессы, происходящие в них. Кроме биологов, интересен процесс фотосинтеза и химикам.

• Определение понятия
• История открытия процесса
• Основные задачи фотосинтеза
• Интересные факты

Определение понятия

Кратко фотосинтез можно охарактеризовать как производство кислорода из света живыми существами. Изучая процесс подробнее, нужно разграничивать определения фотосинтез и фотоафтотрофия (оксигенная и аноксигенная). Растения осуществляют оксигенную фотоафтотрофию. Это относится и к высшим, и к низшим их формам, а также к представителям царства Бактерий — цианобактериям.

Это интересно: вакуоль и её особенности.

Характеризуют этот процесс следующие признаки:

• Автотрофный тип питания (органические вещества синтезируются из неорганических),
• Источником энергии является свет,
• В результате производится кислород,

Фотосинтезирующими являются и некоторые другие виды бактерий — пурпурные серные и несерные, зеленые серобактерии, галобактерии и прочие. Однако для них характерна аноксигенная фотоафтотрофия, иначе называемая фоторедукцией.

Это интересно: дикорастущие растения, примеры.

Процесс синтеза кислорода запускается светом и происходит лишь в зеленых пластидах. Это могут быть хлоропласты высших растений, мембраны цианобактерий или же хроматофоры водорослей. Все они имеют в мембранах хлорофилл.

История открытия процесса

• В 1771 году Джозеф Пристли заметил, что растения выделяют кислород, так как воздух становится годным для дыхания и процессов горения,
• В 1779 году Ян Ингенхауз сделал наблюдение, что это происходит лишь под действием света,
• В 1782 году Жан Сенебье открыл, что кислород выделяется исключительно зелеными частями растений и лишь тогда, когда воздух содержит углекислый газ,
• В 1804 году Николя Соссюр подсчитал, что объем потребляемого растениями углекислого газа равен объему производимого ими кислорода. На основе этого наблюдение был сделан вывод об их углеродном питании. Также стало известно, что в процессе производства кислорода задействована вода,
• В 1817 году Пельтье и Каванту обнаружили зеленый пигмент растений, которому дали название хлорофилл,
• В 1840 году Жан-Батистом Буссенго было составлено общее уравнение процесса (6СО2+6Н2О=С6Н12О6+6О2),
• В 1842 году Р. Майром было сформулировано положение — растениями свет превращается в химическую энергию,
• В 1864 году У. Сакс открыл, что основным продуктом синтеза, происходящего в листьях, является крахмал,
• В 1869 году К. А. Тимирязев при помощи экспериментов доказал, что зеленые листья накапливают и трансформируют энергию, а также то, что для этого необходим свет красного спектра,
• В 1877 году В. Пфеффером был введен термин «фотосинтез».

Это интересно: к прокариотам относятся также бактерии, почему?

Основные задачи фотосинтеза

Для растений этот процесс является основой жизнедеятельности — питания, обменных процессов. Но не меньше значение он имеет и для всей Земли. От него зависят:

• Выработка кислорода в масштабах, поддерживающих жизнедеятельность бесчисленных аэробных организмов,
• Защита Земли от космического излучения: с помощью фотосинтеза создается и поддерживается озоновый экран,
• Поддержание газового состава и баланса атмосферы, регуляция уровня содержания в ней углекислого газа,
• Защита от парникового эффекта.

Это интересно: борьба за существование, ее формы и причины.

Интересные факты

• Существуют нефотосинтезирующие растения, в которых не содержится хлорофилл. Это микогетеротрофы, являющиеся паразитами грибов. Например, подъельник одноцветковый — белое растение, у которого отсутствуют листья. Отличающий его от большинства растений белый цвет — признак того, что он не нуждается в свете и может жить в темноте.
• Так называемый морской слизень, живущий в соленых водоёмах на небольшой глубине, усваивает хлоропласты водорослей, которые живут в его организме некоторое время. Они продолжают процесс фотосинтеза, а слизень питается его продуктом — глюкозой.
• Установлено, что в природной среде обитания фотосинтезирующие бактерии имеют возможность использовать различные источники света, наряду с естественным светом Солнца. Потому такие бактерии могут жить в недоступных солнечному свету местах. Это открытие было сделано в 2005 году учеными университета Британской Колумбии. В пробах из окрестностей термального источника на Коста-Рике, взятых на большой глубине, куда не проникает солнечный свет. В образцах была найдена серобактерия, содержащая особый хлорофилл. Вероятно, она фотосинтезирует с помощью тусклого длинноволнового света гидротермальных источников.
• По результатам наблюдений в 1970-х годах было установлено, что мощность энергии Солнца, потребляемой растениями для фотосинтеза, намного превосходила мощность всех земных электрических станций.

Это интересно: сколько пар рёбер у человека в грудной клетке?

Фотосинтез: все, что надо о нем знать

Содержание:

Что такое фотосинтез

Процесс фотосинтеза является одним из важнейших биологических процессов, протекающих в природе, ведь именно благодаря ему происходит образование органических веществ из углекислого газа и воды под действием света, именно это явление и называют фотосинтезом. И что самое важное, в процессе фотосинтеза происходит выделение кислорода, жизненно необходимого для существования жизни на нашей удивительной планете.

История открытия фотосинтеза

История открытия явления фотосинтеза уходит своими корнями на четыре века в прошлое, когда в далеком 1600 году некий бельгийский ученый Ян Ван Гельмонт поставил не сложный эксперимент. Он поместил веточку ивы (предварительно записав ее начальный вес) в мешок, в котором также находилось 80 кг земли. А затем на протяжении пяти лет растение поливалось исключительно дождевой водой. Каким же было удивление ученого, когда по прошествии пяти лет вес растения увеличился на 60 кг, при том, что масса земли уменьшилась всего лишь на 50 грамм, откуда взялась столь внушительная прибавка в весе, так и оставалось для ученого загадкой.

Следующий важный и интересный эксперимент, ставший преддверием к открытию фотосинтеза, был поставлен английским ученым Джозефом Пристли в 1771 году (любопытно, что по роду своей профессии мистер Пристли был священником англиканской церкви, но в историю вошел именно как выдающийся ученый). Что же сделал мистер Пристли? Он поместил мышь под колпак и через пять дней та умерла. Затем он снова поместил еще одну мышь под колпак, но в этот раз вместе с мышкой под колпаком была веточка мяты и в результате мышь осталась живой. Полученный результат навел ученого на мысль, о том, что существует некий процесс, противоположный дыханию. Еще одним важным выводом этого эксперимента стало открытие кислорода, как жизненно необходимого всем живим существам (первая мышка умерла от его отсутствия, вторая же выжила, благодаря веточке мяты, которая в процессе фотосинтеза как раз создала кислород).

Так был установлен факт, что зеленые части растений способны выделять кислород. Затем уже в 1782 году швейцарский ученый Жан Сенебье доказал, что углекислый газ под воздействием света разлагается в зеленых органоидах растений – фактически была открыта еще одна сторона фотосинтеза. Затем еще через 5 лет французский ученый Жак Бусенго обнаружил, что поглощение растениями воды происходит и при синтезе органических веществ.

И финальным аккордом в череде научных открытий связанных с явлением фотосинтеза стало открытие немецкого ботаника Юлиуса Сакса, которому в 1864 году удалось доказать, что объем потребляемого углекислого газа и выделяемого кислорода происходит в пропорции 1:1.

Значение фотосинтеза в жизни человека

Если представить образно, то лист любого растения можно сравнить с маленькой лабораторией, окна которой выходят на солнечную сторону. В этой самой лаборатории идет образование органических веществ и кислорода, являющегося основой для существования органической жизни на Земле. Ведь без кислорода и фотосинтеза на Земле просто бы не существовало жизни.

Но если фотосинтез столь важен для жизни и выделения кислорода, то как живут люди (да и не только люди), например в пустыне, где минимум зеленых растений, или например, в индустриальном городе, где деревья редкость. Дело в том, что на долю наземных растений приходится всего 20% выделяемого в атмосферу кислорода, остальные же 80% выделяются морскими и океанскими водорослями, недаром ведь мировой океан порой называю «легкими нашей планеты».

Формула фотосинтеза

Общую формулу фотосинтеза можно записать следующим образом:

Вода + Углекислый газ + Свет > Углеводы + Кислород

А вот такой вид имеет формула химической реакции фотосинтеза

Значение фотосинтеза для растений

А теперь попробуем ответить на вопрос, для чего нужен фотосинтез растениям. В действительности обеспечение кислородом атмосферы нашей планеты, далеко не единственная причина протекания фотосинтеза, этот биологический процесс жизненно необходим не только людям и животным, но и самим растениям, ведь органические вещества, которые образуются в ходе фотосинтеза, составляют основу жизнедеятельности растений.

Как происходит фотосинтез

Главным двигателем фотосинтеза является хлорофилл – специальный пигмент, содержащийся в клетках растений, который помимо всего прочего отвечает за зеленую окрасу листьев деревьев и прочих растений. Хлорофилл представляет собой сложное органическое соединение, обладающее к тому же важным свойством – способностью к поглощению солнечного света. Поглощая его, именно хлорофилл приводит в действие ту маленькую биохимическую лабораторию, содержащуюся в каждом маленьком листочке, в каждой травине и каждой водоросли. Далее происходит химическая реакция фотосинтеза (формулу смотрите выше) в ходе которой и происходит преображение воды и углекислого газа в необходимые растениям углеводы и необходимый всему живому кислород. Механизмы фотосинтеза являются гениальным творением природы.

Фазы фотосинтеза

Также процесс фотосинтеза состоит из двух стадий: светлой и темновой. И ниже мы детально напишем о каждой из них.

Световая фаза фотосинтеза

Эта фаза осуществляется на мембранах тилакойдов. Что же такое эти тиалакойды? Тилакойды это структуры, находящиеся внутри хлоропластов и ограниченные мембраной.

Порядок процессов световой фазы фотосинтеза выглядит так:

• Свет попадает на молекулу хлорофилла, поглощается зеленым пигментом, чем приводит его в возбужденное состояние. Электрон, который входит в эту молекулу переходит на более высокий уровень и берет участие в процессе синтеза.
• Идет расщепление воды, во время которого протоны, под действием электронов преобразуются в атомы водорода, которые впоследствии расходуются на синтез углеводов.
• На последнем этапе световой фазы фотосинтеза происходит синтез АТФ (Аденозинтрифосфат). АТФ представляет собой органическое вещество, играющее роль своего рода аккумулятора энергии в биологических процессах.

Темновая фаза фотосинтеза

Эта фаза фотосинтеза протекает в стромах хлоропластов. Именно в ее ходе происходит выделение кислорода, а также синтез глюкозы. Можно подумать исходя из названия, что темновая фаза фотосинтеза происходит исключительно в темное время суток. На самом деле это не так, синтез глюкозы происходит круглосуточно, просто на этом этапе энергия света больше не расходуется и попросту она не нужна.

Фотосинтез, видео

И в завершение интересное образовательное видео про фотосинтез.

Эта статья доступна на английском языке – Photosynthesis.

Мир Знаний .

Мы в соцсетях

Популярное

Русский генерал спасает Грузию от персов. В «благодарность» грузинская царица втыкает ему кинжал в живот…

Фаустпатрон — легендарный гранатомет был безвредной «хлопушкой»?

Освобождение Эстонии. Попытка № 1

Корсар Ивана Грозного. Неизвестная страница из истории отечественного «морского разбоя»

Адская бойня в соборе Святой Недели

Легендарный генерал Шапкин — верно послужил царю и большевикам

Как устранили хозяина оккупированной Белоруссии

В поисках эликсира бессмертия

Большевики были настолько круты, что научились штамповать патроны на макаронных станках?

Микроволновка против НАТО — асимметричный ответ Штатам

История открытия и изучения фотосинтеза

Фотосинтез — один из важнейших биологических процессов, протекающих в природе, ведь именно благодаря ему происходит образование органических веществ из углекислого газа и воды под действием света, а главное — выделяется кислород.

История изучения фотосинтеза началась в 1600 г., когда бельгийский ученый Ян Ван Гельмонт провел несложный эксперимент — поместил веточку ивы (предварительно измерив ее вес) в мешок с 80 кг земли и на протяжении пяти лет поливал дождевой водой. За это время вес ивы увеличился на 65 кг, при том что масса земли уменьшилась всего на 50 г. Откуда взялась столь внушительная прибавка в весе, для ученого осталось загадкой.

Следующий шаг к открытию фотосинтеза был сделан Джозефом Пристли в 1771 г. Он поместил мышь под колпак и через пять дней увидел, что та умерла. Тогда он посадил под колпак еще одну мышь, но рядом с ней положил веточку мяты — и в итоге мышь осталась живой. Это навело ученого на мысль, что существует некий процесс, противоположный дыханию, и что зеленые растения способны очищать и восстанавливать воздух, «испорченный» животными. Через несколько лет после этого открытия Пристли опытным путем узнал о существовании кислорода и понял — первая мышь умерла от его отсутствия, а вторая выжила благодаря веточке мяты, которая выделяла этот важный элемент.

В 1782 г. швейцарский ученый Ж. Сенебье доказал, что углекислый газ (СО2) под воздействием света разлагается в зеленых органоидах растений — хлоропластах. А пять лет спустя французский ученый Ж. Буссенго обнаружил, что растения поглощают воду не только при разложении, но и при синтезе органических веществ.

Тем не менее исследователи второй половины XIX — начала ХХ в. рассматривали фотосинтез как одноактный процесс разложения углекислого газа посредством хлорофилла — сложного органического соединения, которое придает листьям зеленую окраску и поглощает солнечный свет. В 1864 г. немецкому ботанику Ю. Саксу удалось рассчитать пропорцию потребляемого углекислого газа и выделяемого кислорода — 1:1. Таким образом, была выведена общая формула этого процесса: вода + углекислый газ + свет → углеводы + кислород (6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2).

В 1871 г. К. Тимирязев высказал идею о том, что в ходе фотосинтеза хлорофилл подвергается обратимым окислительно-восстановительным превращениям. В 1905 г. английский физиолог растений Фредерик Блэкман установил основные этапы фотосинтеза, показав, что процесс начинается при слабом освещении и с увеличением светового потока скорость реакций возрастает, однако на определенном этапе дальнейшее усиление освещения уже не приводит к повышению активности фотосинтеза; что повышение темпера-туры при слабом освещении не влияет на скорость фотосинтеза, но при одновременном повышении температуры и усилении освещения скорость процесса растет гораздо заметнее, чем при одном лишь усилении освещения. На основании этих экспериментов Блэкман заключил, что происходят два процесса: первый зависит от уровня освещения, а не от температуры, тогда как второй определяется температурой независимо от яркости света. Позже два процесса получили название «световой» и «темновой» фаз, что не вполне корректно: хотя реакции «темновой» фазы идут и при отсутствии света, но для них необходимы продукты «световой» фазы.

В 1930-х появились высказывания о том, что поглощаемая хлорофиллом энергия света должна быть направлена не на разложение СО2, а на разрыв одной связи ОН в молекуле -воды. Доказательства данного предположения были получены в 1941 г., и решающую роль при этом сыграли исследования с использованием изотопов кислорода (16О, 17О и 18О), соотношения между которыми в воде, атмосфере и углекислом газе неодинаковы.

В 1945 г. А. Виноградова и Р. В. Тейс обнаружили совпадение изотопного состава кислорода природной воды и синтезированной из водорода и кислорода, выделяемого зеленым листом на свету (фотосинтетического). С. Рубен и М. Камен применили в исследованиях иной принцип. Сначала они дали водорослям воду, обогащенную 18О, ― и растения выделили кислород с очень высокой концентрацией этого изотопа. Затем ученые «подкормили» водоросли углекислым газом, также обогащенным 18О, ― однако на выделенном кислороде это не сказалось. Тогда-то и стало ясно, что основная масса кислорода, выделяемого при фотосинтезе, принадлежит воде, то есть место имеет не разложение СО2, а распад молекулы воды, вызываемый энергией света.

Собственно, расщепление воды происходит в первой, «световой» фазе фотосинтеза. Еще в 1930-х это показал К. Б. ван Ниль в ходе изучения пурпурной серобактерии, которой для фотосинтеза нужен сероводород (H2S). Как оказалось, в качестве побочного продукта жизнедеятельности бактерия выделяет атомарную серу, а уравнение ее фотосинтеза выглядит так: СО2 + Н2S + свет → углевод + 2S.

Поскольку у серобактерий, в чьем метаболизме роль кислорода играет сера, фотосинтез возвращает эту серу, ван Ниль предположил, что в любом фотосинтезе источником кислорода является не углекислый газ, а вода. Последующие исследования подтвердили: первой стадией процесса является расщепление молекулы воды. Само улавливание энергии состоит из двух этапов и осуществляется в раздельных кластерах молекул — фотосистеме I и фотосистеме II. Номера кластеров отражают порядок, в котором эти процессы были открыты, однако реакции происходят сначала в фотосистеме II и лишь затем — в фотосистеме I.

Итак, процесс запускается в фотосистеме II, когда излучаемые солнцем фотоны попадают в молекулы хлорофилла, содержащиеся в мембранах клеточных органелл хлоропластов. Фотон сталкивается с 250—400 молекулами фотосистемы II, и энергия, резко возрастая, передается молекуле хлорофилла. В результате молекула хлорофилла теряет два электрона (которые принимает другая молекула — акцептор электронов), а молекула воды распадается, и электроны ее атомов водорода возмещают электроны, потерянные хлорофиллом.

После этого выстроенные цепочкой молекулы-переносчики быстро перебрасывают электроны на более высокий уровень, и часть выделенной энергии идет на образование аденозинтрифосфата (АТФ) — одного из основных аккумуляторов энергии в клетке. Тем временем молекула хлорофилла фотосистемы I поглощает фотон и отдает электрон другой молекуле-акцептору, а на место утерянной заряженной частицы встает электрон, прибывший по цепи переносчиков из фотосистемы II. Энергия электрона фотосистемы I и ионы водорода, образовавшиеся при расщеплении воды, идут на образование НАДФ-Н — еще одного источника энергии.

После того как солнечная энергия поглощена и запасена, наступает черед образования глюкозы. Основной механизм синтеза сахаров в растениях был открыт Мелвином Калвином, который в 1940-х вырастил водоросль в присутствии углекислого газа, содержащего радиоактивный углерод-14. Прерывая фотосинтез на разных стадиях, ученый установил химические реакции «темновой» фазы и открыл так называемый цикл Калвина — процесс превращения солнечной энергии в глюкозу.Сначала молекулы углекислого газа соединяются с «помощником» — пятиуглеродным сахаром рибулозодифосфатом (РДФ). Затем за счет энергии солнечного света, запасенной в АТФ и НАДФ-H, происходит шестиуровневая цепочка реакций связывания углерода с образованием глюкозы, выделением кислорода и воссозданием РДФ.

Очевидно, что обеспечение кислородом земной атмосферы — далеко не единственная цель фотосинтеза. Этот биологический процесс необходим не только людям и животным, но и самим растениям, основу жизнедеятельности которых составляют органические вещества, образующиеся в ходе фотосинтеза.