5.1: Огляд фотосинтезу

Мета навчання

Наприкінці цього розділу ви зможете:

  • Узагальнити процес фотосинтезу
  • Поясніть значення фотосинтезу для інших живих істот
  • Визначте реактиви та продукти фотосинтезу
  • Опишіть основні структури, що беруть участь у фотосинтезі

Енергія, яка використовується у процесі фотосинтезу, постійно надходить в екосистеми нашої планети і передається від одного організму до іншого. Отже, прямо чи опосередковано процес фотосинтезу забезпечує більшу частину енергії, необхідної живим істотам на землі.

Фотосинтез також призводить до викиду кисню в атмосферу. Словом, їсти і дихати, люди майже повністю залежать від організмів, які здійснюють фотосинтез.

Концепція в дії


беруть участь

Клацніть на наступне посилання, щоб дізнатись більше про фотосинтез.

Деякі організми можуть здійснювати фотосинтез, а інші - ні. Автотроф - це організм, який може виробляти власну їжу. Грецьке коріння слова автотроф означає «само» (авто) «годівниця» (троф). Рослини - найвідоміші автотрофи, але існують і інші, включаючи певні типи бактерій та водоростей (рис. 5.2). Океанічні водорості вносять величезну кількість їжі та кисню до глобальних харчових ланцюгів. Рослини також є фотоавтотрофами, типом автотрофа, який використовує сонячне світло та вуглець з вуглекислого газу для синтезу хімічної енергії у вигляді вуглеводів. Всі організми, що проводять фотосинтез, потребують сонячного світла.

Малюнок 5.2 (а) Рослини, (б) водорості та (в) певні бактерії, звані ціанобактеріями, є фотоавтотрофами, які можуть здійснювати фотосинтез. Водорості можуть рости на величезних ділянках води, часом повністю покриваючи поверхню. (кредит a: Стів Гіллебранд, Служба рибного господарства та дикої природи США; кредит b: “евтрофікація та гіпоксія”/Flickr; кредит c: NASA; дані шкали від Метта Рассела)

Гетеротрофи - це організми, не здатні до фотосинтезу, тому вони повинні отримувати енергію та вуглець з їжею, споживаючи інші організми. Грецьке коріння слова гетеротроф означає "інший" (гетеро) "живильник" (троф), що означає, що їхня їжа походить від інших організмів. Навіть якщо харчовий організм - це інша тварина, ця їжа веде свій початок від автотрофів та процесу фотосинтезу. Люди - гетеротрофи, як і всі тварини. Гетеротрофи безпосередньо чи опосередковано залежать від автотрофів. Олені та вовки - гетеротрофи. Олень отримує енергію, поїдаючи рослини. Вовк, що їсть оленя, отримує енергію, яка спочатку надходила від рослин, з’їдених цим оленем. Енергія рослини надходила від фотосинтезу, і тому це єдиний автотроф у цьому прикладі (рис. 5.3). Використовуючи ці міркування, вся їжа, яку їдять люди, також посилається на автотрофи, які проводять фотосинтез.

Рисунок 5.3 Енергія, що зберігається в молекулах вуглеводів від фотосинтезу, проходить через харчовий ланцюг. Хижак, який поїдає цих оленів, отримує енергію, яка виникла у фотосинтетичній рослинності, яку споживав олень. (кредит: Стів ВанРіпер, Служба охорони риби та дикої природи США)

Фотосинтез у продуктовому магазині

Основні продуктові магазини Сполучених Штатів організовані у такі відділи, як молочні продукти, м'ясопродукти, продукція, хліб, крупи тощо. Кожен прохід містить сотні, якщо не тисячі, різних товарів, які споживачі можуть купувати та споживати (Рисунок 5.4).

Хоча існує велика різноманітність, кожен предмет посилається на фотосинтез. М’ясо та молочні продукти пов’язані з фотосинтезом, оскільки тварин годували рослинною їжею. Хліб, крупи та макаронні вироби здебільшого походять із зерен, які є насінням фотосинтезуючих рослин. А десерти та напої? Всі ці продукти містять цукор - основну молекулу вуглеводів, що отримується безпосередньо в результаті фотосинтезу. Зв’язок фотосинтезу стосується кожного прийому їжі та кожної їжі, яку вживає людина.

Для фотосинтезу в якості вихідних реагентів потрібні сонячне світло, вуглекислий газ та вода (рис. 5.5). Після завершення процесу фотосинтез виділяє кисень і виробляє молекули вуглеводів, найчастіше глюкози. Ці молекули цукру містять енергію, необхідну живим істотам для виживання.

Рисунок 5.5 Фотосинтез використовує сонячну енергію, вуглекислий газ і воду для виділення кисню для отримання енергетичних молекул цукру. Фотосинтез - це походження продуктів, що складають основні елементи раціону людини. (кредит: Associação Brasileira de Supermercados)

Складні реакції фотосинтезу можна узагальнити за хімічним рівнянням, наведеним на рисунку 5.6.

Рисунок 5.6 Процес фотосинтезу можна представити рівнянням, в якому вуглекислий газ та вода виробляють цукор та кисень, використовуючи енергію сонячного світла.

Хоча рівняння виглядає простим, багато етапів, що відбуваються під час фотосинтезу, насправді є досить складними, як у тому, що реакція, що підсумовує клітинне дихання, представляла багато індивідуальних реакцій. Перш ніж вивчати подробиці того, як фотоавтотрофи перетворюють сонячне світло на їжу, важливо ознайомитися з фізичними структурами, що беруть участь у цьому.

У рослин фотосинтез відбувається переважно у листках, які складаються з безлічі шарів клітин і мають диференційовані верхню та нижню сторони. Процес фотосинтезу відбувається не на поверхневих шарах листа, а в середньому шарі, який називається мезофілом (рис. 5.7). Газообмін вуглекислого газу та кисню відбувається через невеликі, регульовані отвори, що називаються продихами.

У всіх автотрофних еукаріотів фотосинтез відбувається всередині органели, яка називається хлоропластом. У рослинах у мезофілі є клітини, що містять хлоропласт. Хлоропласти мають подвійну (внутрішню та зовнішню) мембрани. Усередині хлоропласту знаходиться третя мембрана, яка утворює складені дископодібні структури, звані тилакоїдами. У тилакоїдну мембрану вбудовані молекули хлорофілу - пігменту (молекули, що поглинає світло), завдяки якому починається весь процес фотосинтезу. Хлорофіл відповідає за зелений колір рослин. Тилакоїдна мембрана закриває внутрішній простір, який називається тилакоїдним простором. Інші типи пігментів також беруть участь у фотосинтезі, але хлорофіл на сьогоднішній день є найважливішим. Як показано на рисунку 5.7, стос тилакоїдів називається гранумою, а простір, що оточує грануму, - стромою (не плутати з продихами, отворами на листках).

У спекотний сухий день рослини закривають продихи для економії води. Який вплив це матиме на фотосинтез?

Фотосинтез відбувається у два етапи: реакції, що залежать від світла, та цикл Кальвіна. У світлозалежних реакціях, що відбуваються на тилакоїдній мембрані, хлорофіл поглинає енергію сонячного світла, а потім перетворює її в хімічну енергію з використанням води. Світлозалежні реакції вивільняють кисень при гідролізі води як побічний продукт. У циклі Кальвіна, який відбувається в стромі, хімічна енергія, що отримується внаслідок реакцій, що залежать від світла, керує як захопленням вуглецю в молекулах вуглекислого газу, так і подальшим збиранням молекул цукру. Дві реакції використовують молекули-носії для транспортування енергії від однієї до іншої. Носії, які переміщують енергію від світлозалежних реакцій до реакцій циклу Кальвіна, можна вважати “повними”, оскільки вони приносять енергію. Після вивільнення енергії “порожні” носії енергії повертаються до реакцій, залежних від світла, щоб отримати більше енергії.

Процес фотосинтезу перетворив життя на землі. Використовуючи енергію сонця, фотосинтез дозволяв живим істотам отримувати величезні кількості енергії. Завдяки фотосинтезу живі істоти отримали доступ до достатньої кількості енергії, що дозволило їм розвивати нові структури та досягти біорізноманіття, яке очевидно сьогодні.

Тільки певні організми, які називаються автотрофами, можуть здійснювати фотосинтез; вони потребують присутності хлорофілу, спеціалізованого пігменту, який може поглинати світло і перетворювати світлову енергію в хімічну. Фотосинтез використовує вуглекислий газ і воду для збирання молекул вуглеводів (як правило, глюкози) і виділяє кисень у повітря. Еукаріотичні автотрофи, такі як рослини та водорості, мають органели, звані хлоропластами, в яких відбувається фотосинтез.

Вправи

  1. У спекотний сухий день рослини закривають продихи для економії води. Який вплив це матиме на фотосинтез?
  2. Які два продукти є результатом фотосинтезу?
    1. вода і вуглекислий газ
    2. вода і кисень
    3. глюкоза та кисень
    4. глюкоза та вуглекислий газ
  3. Яке твердження про тилакоїди у еукаріотів не є правильним?
    1. Тилакоїди збираються в стоси.
    2. Тилакоїди існують як лабіринт зі складених оболонок.
    3. Простір, що оточує тилакоїди, називається стромою.
    4. Тилакоїди містять хлорофіл.
  4. Звідки гетеротроф безпосередньо отримує свою енергію?
    1. сонце
    2. сонце і поїдання інших організмів
    3. поїдання інших організмів
    4. прості хімічні речовини в навколишньому середовищі
  5. Яка загальна мета світлових реакцій при фотосинтезі?
  6. Чому м’ясоїдні тварини, такі як леви, залежать від фотосинтезу, щоб вижити?

Відповіді

  1. Рівні вуглекислого газу (реагенту) впадуть, а рівень кисню (продукту) зросте. В результаті швидкість фотосинтезу сповільниться.
  2. C.
  3. B
  4. C.
  5. Щоб перетворити сонячну енергію в хімічну, яку клітини можуть використовувати для роботи.
  6. Тому що леви їдять тварин, які їдять рослини.

Глосарій

автотроф: організм, здатний виробляти власну їжу

хлорофіл: зелений пігмент, що вловлює світлову енергію, яка рухає реакції фотосинтезу

хлоропласт: органела, де відбувається фотосинтез

гранум: стос тилакоїдів, що знаходиться всередині хлоропласту

гетеротроф: організм, який споживає інші організми для їжі

світлозалежна реакція: перший етап фотосинтезу, де видиме світло поглинається, утворюючи дві енергоносні молекули (АТФ і НАДФН)

мезофіл: середній шар клітин у листі

фотоавтотроф: організм, здатний синтезувати власні молекули їжі (зберігаючи енергію), використовуючи енергію світла

пігмент: молекула, здатна поглинати світлову енергію

стома: отвір, що регулює газообмін та регулювання води між листям та навколишнім середовищем; множина: продихи

строма: заповнений рідиною простір, що оточує грану всередині хлоропласта, де відбуваються реакції фотосинтезу циклу Кальвіна

тилакоїд: дископодібна плівчаста структура всередині хлоропласту, де проходять світлозалежні реакції фотосинтезу з використанням хлорофілу, вбудованого в мембрани

Ліцензія

Концепції біології - 1-е канадське видання Чарльза Молнара та Джейн Гейр ліцензовано під ліцензією Creative Commons Attribution 4.0 International, за винятком випадків, коли зазначено інше.