Завершающая стадия процесса фотосинтеза характеризуется светонезависимой (темновой) фазой. Благодаря ей растение производит углеводы. Эти реакции возможны при наличии энергии, а также веществ, синтезированных на первой стадии – светозависимой. Открытие этих реакций имело важное значение для науки, за что и была вручена Нобелевская премия ученому, изучавшему этот вопрос. Понятие и сущность темновой фазы фотосинтеза изучаются еще в школе на уроках биологии в 10 классе. Задача учителя изложить информацию кратко и понятно.
История открытия
Батист ван Гельмонт еще в 1600 году решил узнать, какое влияние земля производит на рост и развитие растительного организма. Его опыт был уникален и одновременно прост. Ученый взвесил веточку ивы и бочку с почвой. Затем он посадил черенок дерева и на протяжении 5 лет поливал деревце дождевой водой. Выкопав его, он снова взвесил иву и емкость с почвой. В результате масса деревца увеличилась в 30 раз, а вес почвы уменьшился только на 56 граммов. После этого ученый сделал вывод, что растение неспособно взять из земли все необходимые для жизни вещества. Для этого ему необходима вода.
Опыт ван Гельмонта затем повторило много ученых с аналогичным результатом. Так появилась теория водного питания растительных организмов. Одним из первых ее поставил под сомнение Ломоносов. Его главным аргументом был факт, что большие деревья способны расти на бедных почвах в регионах с небольшим количеством осадков. Он считал, что растения получают часть питательных веществ с помощью листиков. Однако доказать эту гипотезу он не смог.
Дальнейшему изучению этого вопроса дала толчок забавная случайность, приключившаяся в 1771 году. Священнослужитель и по совместительству химик Пристли однажды обнаружил, что мышь случайно перевернула банку и оказалась в западне. После этого грызуны стали объектами исследований. Он поместил в одну банку мышку, а во вторую – свечу. Вполне очевидно, что через определенное время животное погибло, а свеча затухла.
Вторую мышку он поместил в одну банку со свечой, смерть грызуна настигла еще быстрее. В третьем эксперименте мышка была помещена в банку с мятой. Через 8 дней он проверил подопытное животное и был весьма удивлен тому, что оно не погибло. Этот опыт повторяли ученые из различных стран. Швейцарский аптекарь Шееле был одним из них. Однако он не мог проводить в лаборатории все время, а находился в ней лишь ночью. В результате все подопытные грызуны неизменно погибали.
Он обвинил Пристли в обмане, но тот не сдался, и в результате появилась гипотеза, что растение выделяет кислород только под воздействием солнечного света. Уже через 11 лет (1782) этот факт был подтвержден экспериментально. Именно работы этих ученых положили начало исследованию фотосинтеза.
Определение понятия
Название фотосинтез произошло благодаря слиянию двух слов – фото (свет) и синтез (создание или соединение). Если дать определение этому процессу предельно просто, то он представляет собой конвертацию энергии солнечного света в энергию сложных химических соединений. Протекает фотосинтез в особых клетках – хлоропластах.
На первый взгляд, схема этой реакции достаточно проста – растение из воды, квантов света и двуокиси углерода синтезирует углерод и кислород. Однако на практике все сложнее. Дело в том, что двуокись углерода с H2O не взаимодействуют друг с другом ни в одной из клеток растения. Сейчас становится понятно, почему ученым потребовалось много времени для разгадки этой тайны.
Темновая фаза
Сначала следует вспомнить строение хлоропластов. Это особые пластиды зеленого цвета. В их состав входят следующие элементы:
- 2 мембраны;
- стопки гранов;
- внутриклеточная жидкость тилакоида (люмен);
- диски тилакоидов;
- внутриклеточное вещество хлоропласта (строма).
Светозависимая реакция фотосинтеза протекает на мембранах тилакоидов. Хлорофилл обладает способностью возбуждаться под воздействием световых квантов. В результате пластида теряет свои электроны, которые собираются на внешней части мембраны. Однако квант света продолжает работать, воздействуя уже на воду. Это приводит к ее фотолизу – расщеплению молекулы H2O на атомы водорода. Они собираются на внутренней части мембраны. Продуктами всех последующих реакций является кислород и аденозинтрифосфат или АТФ.
Проще всего охарактеризовать фазами фотосинтеза (световая и темновая) таблицей:
| Светозависимая | Светонезависимая | |
| Протекающие процессы | 1. Растение поглощает световые волны синего и красного спектра. 2. Электроны хлорофилла перемещаются на более высокий уровень. 3. Фотолиз H2O. | Поглощается двуокись углерода. Используется АТФ и НАДФН. |
| Продукты реакций | Производится аденозинтрифосфат | Образуется высокоуглеродное вещество (полимеризация) C6H12O2 |
| Энергетический источник | Солнечный свет | Аденозинтрифосфат |
| Место протекания процессов | Граны хлоропластов | Внутриклеточное вещество хлоропласта |
Для темновой фазы свет не требуется, что понятно из ее названия. Ее реакции протекают во внутриклеточном веществе хлоропласта, а участвуют в них вещества, созданные во время светозависимого этапа. Продуктом всех этих превращений являются сложные органические соединения, а также двуокись углерода.
Сегодня ученым известно три варианта светонезависимых реакций:
- C3. Присуща большинству растений, произрастающих в регионах с умеренным климатом. В ходе этих реакций происходит превращение двуокиси углерода в фосфоглицериновую кислоту.
- C4. Протекают в большинстве сорняков и растениях, обитающих в тропическом и субтропическом климате. Продуктом реакций является оксалоацетат.
- CAM. Это особый вид реакций, свойственный растениям, средой обитания которых являются засушливые регионы планеты.
Для большинства растений основным является C3-фотосинтез. Он также называется цикл Кальвина, в честь ученого, открывшего его. Следует заметить, что именно Мелвин Кальвин в 1961 году был удостоен Нобелевской премии за свои исследования в этом направлении. Основным продуктом химических реакций цикла является глюкоза. Для получения лишь одной молекулы этого вещества, все процессы C3-фотосинтеза последовательно протекают 6 раз. Также для этого растению необходимо использовать 18 молекул аденозинтрифосфата, 12 НАДФН, 24 протона и 6 двуокиси углерода.
Основным отличием цикла Кальвина от C4-фотосинтеза (цикл Слэка-Хэтча) является место прохождения реакций. В первом случае они протекают только во внутренних клеточных структурах листа (мезофилл). При C4 процессы проходят еще и в клетках сосудистых пучков.
Сразу может показаться, что увеличение числа реакций не имеет смысла. Однако в природе такого не бывает. C4-фотосинтез является механизмом адаптации растительных организмов к условиям их среды обитания. Третий вариант – CAM – во многом напоминает C4.
Основным различием между ними является разделение химических процессов по времени, а не в пространстве. Благодаря этому растения приспособились к жизни в сухом климате. Ученые считают, что CAM-процесс во время эволюции сформировался последним.
Значение фотосинтеза
Сложно переоценить важность фотосинтеза не только для растений, но и всех живых существ на планете. Благодаря этим реакциям стало возможно само существование человеческой цивилизации. Безусловно, на Земле есть места, где отсутствуют растения – Антарктида и пустыни. Однако ученым удалось доказать, что более 80% кислорода производят морские водоросли.
Именно благодаря фотосинтезу планета окружена особым защитным слоем – озоновым. Он не пропускает на поверхность планеты космическую и солнечную радиацию. В результате после его формирования первые живые организмы и вышли на сушу. В последние годы экологическая ситуация на планете только ухудшается. Это связано с активным вмешательством человека в природу. Непоправимый урон ей наносят многочисленные предприятия, вырубка лесов, загрязнение мирового океана. Все это приводит к ухудшению процессов газообмена и увеличению дефицита кислорода.
