Фотосинтез

Фотосинтез

Растения перетворюють сонячне світло в запасену хімічну енергію удвічі етапу: спочатку вони уловлюють енергію сонячного світла, та був використовує її для зв’язування вуглецю із заснуванням органічних молекул.

Зеленые рослини — біологи називають їх автотрофами — основа життя планети. З рослин починаються майже всі харчові ланцюга. Вони перетворюють енергію, падаючу ними у вигляді сонячного світла, в енергію, запасену в углеводах (див. Біологічні молекули), у тому числі найважливіше шестиуглеродный цукор глюкоза. Цей процес відбувається перетворення називається фотосинтезом. Інші живі організми отримують доступом до цієї енергії, поїдаючи рослини. Так створюється харчова ланцюг, підтримує планетарну экосистему.

Кроме того, повітря, яких ми дихаємо, завдяки фотосинтезу насичується киснем. Сумарна рівняння фотосинтезу виглядає так:

вода + вуглекислий газ + світло —> вуглеводи + кислород Растения поглинають вуглекислий газ, зчинений при подиху, і виділяють кисень — продукт життєдіяльності рослин (див. Гліколіз і крижаний подих). До того ж, фотосинтез грає найважливішу роль круговерті вуглецю в природе.

Кажется дивовижним, за всієї важливості фотосинтезу вчені тривалий час не бралися для її вивченню. Після експерименту Ван-Гельмонта, поставленого XVII столітті, запанувала тиша, і у 1905 року англійський фізіолог рослин Фредерік Блэкман (Frederick Blackman, 1866−1947) провів дослідження та встановив основні процеси фотосинтезу. Він довів, що фотосинтез починається при слабкому висвітленні, що швидкість фотосинтезу зростає збільшенням світлового потоку, але, починаючи з певного рівня, подальше підсилення висвітлення не приводить до підвищення активності фотосинтезу. Блэкман показав, що коли підвищення температури при слабкому висвітленні впливає на швидкість фотосинтезу, але за одночасному підвищенні температури й об'єктивності висвітлення швидкість фотосинтезу зростає значно більше, аніж за одному лише посиленні освещения.

На основі цих експериментів Блэкман уклав, що відбуваються процеси: них значною мірою залежить від рівня висвітлення, але не температури, тоді як другий сильно визначається температурою незалежно від рівня світла. Це осяяння лягло основою сучасних поглядів на фотосинтезі. Два процесу іноді називають «світловий» і «темновой» реакцією, що недостатньо коректно, оскільки виявилося, що, хоча реакції «темновой» фази йдуть й у відсутності світла, їм необхідні продукти «світловий» фазы.

Фотосинтез починається сіло, що випромінювані сонцем фотони потрапляють у особливі пігментні молекули, перебувають у аркуші, — молекули хлорофілу. Хлорофіл міститься у клітинах аркуша, в мембранах клітинних органел хлоропластів (і вони надають аркушу зелену забарвлення). Процес уловлювання енергії і двох етапів і ввозяться роздільних кластерах молекул — ці кластери прийнято називати Фотосистемой I і Фотосистемой II. Номери кластерів відбивають порядок, у якому ці процеси було відкрито, і це одне з кумедних наукових дивного, що у аркуші спочатку відбуваються реакції в Фотосистеме II, і потім — в Фотосистеме I.

Когда фотон стикається з 250−400 молекулами Фотосистеми II, енергія стрибкоподібно зростає й передається на молекулу хлорофілу. Саме тоді відбуваються дві хімічні реакції: молекула хлорофілу втрачає два електрона (які вже вживає інша молекула, звана акцептором електронів) і розщеплюється молекула води. Електрони двох атомів водню, які входили на молекулу води, відшкодовують два втрачених хлорофілом электрона.

После цього високоенергетичний («швидкий») електрон перекидають одна одній, як гарячу картоплину, зібрані в Прохаськовому ланцюжок молекулярні переносники. У цьому частина енергії йде освіту молекули аденозинтрифосфата (АТФ), однієї з основних переносників енергії у клітині (див. Біологічні молекули). Тим часом трохи інша молекула хлорофілу Фотосистеми I поглинає енергію фотона і віддає електрон інший молекуле-акцептору. Цей електрон заміщується в хлорофілі електроном, прибулим по ланцюга переносників з Фотосистеми II. Енергія електрона з Фотосистеми I і іони водню, які утворилися раніше при розщепленні молекули води, роблять освіту НАДФ-Н, інший молекулы-переносчика.

В результаті процесу уловлювання світла енергія двох фотонів запасається в молекулах, використовуваних клітиною реалізації реакцій, і додатково утворюється одна молекула кисню. (Зазначу, у результаті чергового, значно менш ефективного процесу з участю лише Фотосистеми I, також утворюються молекули АТФ.) Коли сонячна енергія поглинута і запасена, настає черга освіти вуглеводів. Основний механізм синтезу вуглеводів в рослинах відкрили Мелвином Калвином, проделавшим в 1940;х роках серію експериментів, стали вже класичними. Калвин і його працівники вирощували водорість у присутності вуглекислого газу, що містить радіоактивний углерод-14. Вони змогли встановити хімічні реакції темновой фази, перериваючи фотосинтез різними стадиях.

Цикл перетворення сонячної енергії в вуглеводи — так званий цикл Калвіна — подібний з циклом Кребса (див. Гліколіз і крижаний подих): він також складається з серії хімічних реакцій, які з сполуки яка входить молекули з молекулой-«помощником» із наступною ініціацією інших хімічних реакцій. Ці реакції призводять до утворення кінцевий продукт і водночас відтворюють молекулу-«помощника», та циклу починається вдруге. У циклі Калвіна роль такий молекулы-«помощника» виконує пятиуглеродный цукор рибулозодифосфат (РДФ). Цикл Калвіна починається сіло, що молекули вуглекислого газу поєднано з аналітичними РДФ. за рахунок енергії сонячного світла, запасеної у вигляді АТФ і НАДФ-H, спочатку відбуваються хімічні реакції зв’язування вуглецю із заснуванням вуглеводів, а потім — реакції відтворення рибулозодифосфата. На шести витках циклу шість атомів вуглецю входять у молекули попередників глюкози та інших вуглеводів. Цей цикл хімічних реакцій триватиме до того часу, поки надходить енергія. Завдяки цьому циклу енергія сонячного світла стає доступною живим организмам.

В більшості рослин здійснюється описане вище цикл Калвіна, у якому вуглекислий газ, безпосередньо беручи участь у реакціях, пов’язують із рибулозодифосфатом. Ці рослини називаються C3-растениями, оскільки комплекс «вуглекислий газ—рибулозодифосфат» розщеплюється на дві молекули меншого розміру, кожна з яких складається з трьох атомів вуглецю. В окремих рослин (наприклад, у кукурудзи і цукрової тростини, і навіть в багатьох тропічних трав, включаючи повзуче бур’ян) цикл здійснюється інакше. Річ у цьому, що вуглекислий газ нормі проникає через отвори в поверхні аркуша, звані устьицами. При високих температур устячка закриваються, захищаючи рослина від надмірної втрати вологи. У C3-растения при закритих устьицах припиняється і надходження вуглекислого газу, що зумовлює уповільнення фотосинтезу і зміни фотосинтетических реакцій. У разі кукурудзи вуглекислий газ приєднується до трехуглеродной молекулі лежить на поверхні аркуша, потім переноситься у внутрішні ділянки аркуша, де вуглекислий газ вивільняється і починається цикл Калвіна. Завдяки цьому досить складного процесу фотосинтез у кукурудзи здійснюється навіть дуже спекотну, суху погоду. Рослини, в яких такий процес, ми називаємо C4-растениями, оскільки вуглекислий газ початку циклу транспортується у складі четырехуглеродной молекули. C3-растения — це загалом рослини поміркованого клімату, а C4-растения переважно ростуть в тропиках.

Гипотеза Ван Ниля

Процесс фотосинтезу описується наступній хімічної реакцией:

СО2 + Н2О + світло —> вуглевод + О2.

В початку ХХ століття вважалося, що кисень, вирізняється у процесі фотосинтезу, утворюється внаслідок розщеплення вуглекислого газу. Цю думку спростував в 1930;ті роки Корнеліс Бернардус Ван Ниль (Van Niel, 1897−1986), тоді аспірант Стенфордського університету у штаті Каліфорнія. Він вивченням пурпурній серобактерии (на фото), яка потребує реалізації фотосинтезу в сероводороде (H2S) і як побічного продукту життєдіяльності атомарную сірку. Для таких бактерій рівняння фотосинтезу виглядає так: СО2 + Н2S + світло —> вуглевод + 2S.

Исходя з подібності цих двох процесів, Ван Ниль припустив, що з звичайному фотосинтезі джерелом кисню не вуглекислий газ, а вода, оскільки у серобактерий, в метаболізмі яких замість кисню бере участь сірка, фотосинтез повертає цю сірку, що є побічним продуктом реакцій фотосинтезу. Сучасне докладний пояснення фотосинтезу підтверджує цю здогад: першої стадією процесу фотосинтезу (здійснюваної в Фотосистеме II) є розщеплення молекули воды.

Мелвин КАЛВИН.

Melvin Calvin, 1911−97.

Американский біолог. Народився р. Сент-Пол, штат Міннесота, у ній переважно з Росії. У 1931 року здобув ступінь бакалавра у сфері хімії в Мічиганському коледжі гірського справи і технології, а 1935 року — ступінь доктора хімії в університеті штату Міннесота. Двома роками пізніше Калвин почав працювати у Каліфорнійському університеті у Берклі й у 1948 році став професором; протягом року доти був призначений директором відділу биоорганики в Радіаційній лабораторії Лоренса в Берклі, де використовував технологічні досягнення військових досліджень часів Другої світової війни, наприклад нові методи хроматографії, вивчення темновой фази фотосинтезу. У 1961 року Калвин удостоївся Нобелівської премії в області химии.

Список литературы

Для підготовки даної праці були використані матеріали із російського сайту internet.