Жизнь на нашей планете основана на органических структурах углерода, которые для обеспечения процессов жизнедеятельности используют газообразный кислород. Существование в изобилии этих химических веществ обязано так называемому процессу фотосинтеза, фазы которого в совокупности описывают сложный характер названного явления.
Общая характеристика процесса
В старших классах общеобразовательных школ подробно рассматривают явление фотосинтеза. В настоящее время оформилось два его определения:
- это процесс, в результате которого происходит образование органической материи из неорганической;
- это сложное явление, которое характерно для высших растений и ряда бактерий и которое используется ими в качестве генератора питательных веществ.
Первое определение является более верным с точки зрения физической химии, второе — с учетом интересов биологии.
В результате фотосинтеза образуется глюкоза, из которого впоследствии синтезируются более сложные органические вещества (сахара, крахмал, целлюлоза и другие). Кроме того, происходит выделение молекул кислорода — важного газа для поддержания всей жизни на Земле. По некоторым оценкам, благодаря рассматриваемому процессу в год синтезируется около 100 млрд тонн органических соединений.
В 2009 году американские ученые в журнале Nature Geoscience опубликовали статью, в которой они описали процесс изучения небольших кристаллов минерала гематита, найденных на северо-западе Австралии. Было установлено, что первые бактерии на планете, жившие приблизительно 3,46 млрд лет назад, уже имели способность использовать световые лучи для генерации органических соединений.
Роль в питании растений
С точки зрения биологии фотосинтез является источником питательных веществ для растений и некоторых бактерий. Однако этот процесс является лишь частью сложного механизма синтеза и накопления органических соединений, который включает в себя следующие этапы:
- Абсорбция. Корни растений поглощают из почвы воду и минеральные соединения.
- Циркуляция. Растворяясь в воде, минеральные вещества доставляются через каналы в стволе растения к листьям.
- Фотосинтез. Ориентированные к солнечному свету листья используют энергию фотонов, воду и углекислый газ для образования глюкозы. Кроме того, листья выделяют молекулярный кислород как побочный продукт цепи химических реакций.
- Дыхание. Так же как и животные, растения используют кислород с целью получения энергии из органических веществ. По сути, этот процесс является обратным фотосинтезу и протекает параллельно с ним в дневное время суток и самостоятельно в отсутствие солнечного света.
Хлоропласты и хлорофилл
Чтобы понять таблицу «Световая и темновая фаза фотосинтеза», необходимо знать, какие вещества и органоиды участвуют в этом процессе.
В первую очередь следует назвать хлоропласты — это органоиды, которые находятся в клетках растений. Они имеют собственное ядро и двойную цепь ДНК. Их цитоплазма окружена двойной мембраной, обеспечивающей избирательный приток реагентов и отток генерируемых питательных веществ. Каждую клетку листа заполняют несколько десятков хлоропластов (50−60 штук). Содержащийся в их составе пигмент ответственен за зеленый цвет.
Хлоропласт является довольно пластичным органоидом. Он может трансформироваться в следующие образования:
- хромопласт;
- пропласт;
- лейкопласт.
Образование всех этих органоидов связано либо с переходом между фазами созревания растения (образование спелых фруктов), либо с изменением внешних условий (отсутствие освещения).
Активное вещество хлоропласта, которое ответственно за инициализацию процесса фотосинтеза, называется хлорофиллом. Этот пигмент способен преобразовывать энергию фотонов в химическую. Молекула хлорофилла состоит из двух частей:
- Кольцо, где в центре находится атом магния. Эта часть непосредственно накапливает солнечную энергию.
- Гидрофобная цепь — средство прикрепления хлорофилла к фотосинтетической мембране внутри хлоропласта.
Существует несколько видов хлорофилла. Основное их отличие заключается в длине волны абсорбируемого электромагнитного излучения. Она лежит в пределах от 400 нм до 700 нм, что соответствует всему видимому для человека спектру. Этот факт объясняет, почему осенью в лесах можно видеть целую гамму цветов на листьях деревьев.
Соединение аденозинтрифосфат, или АТФ
Это одно из важных химических соединений, которое не только играет ключевую роль в обеих фазах фотосинтеза, но и определяет жизнедеятельность организма в целом. Представляет оно собой тройное кольцо и фосфатный хвост. Из трех колец АТФ два состоят из атомов азота и углерода, а третье содержит углерод и атом кислорода. Формула этого вещества — C10H16N5O13P3. Молекула была открыта в 1931 году немцем Карлом Лохманом (Karl Lohmann).
АТФ является источником химической энергии, которая используется в довольно широком круге реакций и процессов — начиная от темновой фазы фотосинтеза, образования жиров и протеинов и заканчивая движениями мышц и передачей нервных импульсов. Сравнительная характеристика жиров и углеводов с АТФ показывает, что последний играет роль лишь носителя энергии, а не служит для ее накопления.
Существуют специальные органоиды клеток, которые ответственны за образование АТФ из глюкозы с использованием кислорода. Они называются митохондриями. Тем не менее во время световой фазы фотосинтеза в хлоропластах также образуются эти молекулы, без которых совершенно невозможно существование процесса генерации органических соединений.
Процесс образования АТФ, который проходит в митохондриях и называется циклом Кребса, является настолько важным для протекания жизнедеятельности организмов, что его блокировка путем употребления таких веществ, как мышьяк или цианистая соль, приводит к быстрой смерти.
Фазы фотосинтеза
Рассматриваемый процесс является довольно сложным. В настоящее время некоторые его аспекты продолжают изучать ученые всего мира. Если говорить кратко, то можно заполнить следующую простую таблицу световой и темновой фаз фотосинтеза:
| Фаза | Реагенты | Продукты |
| Световая | Солнечный свет, вода | АТФ, кислород, протоны |
| Темновая | Углекислый газ, АТФ, протоны | Глюкоза |
Как следует из самого названия, световая фаза протекает в дневное время суток, когда солнечный свет падает на зеленые листья и стебли растений. Фотоны определенной частоты и длины волны вызывают активацию хлорофилла. Активированный пигмент при взаимодействии с молекулами H2O и в присутствии катализаторов приводит к распаду воды на свободные протоны H+ и молекулярный кислород O2. Кроме того, на этой стадии происходит перенос свободных электронов в структурах хлоропласта и синтезируется аденозинтрифосфат (АТФ).
В сравнении с первой вторая фаза — это темновая. Именно в результате протекающих во время нее химических реакций образуются органические соединения, в частности, глюкоза. Здесь определяющий характер имеют процессы переноса свободных протонов, которые при участии энергии АТФ, нескольких ферментов и поглощенного из воздуха углекислого газа приводят к образованию молекул углеводов. Фаза носит циклический характер, который принято называть в честь открывшего ее в 1940-е годы американского ученого Мельвина Кальвина. За свое открытие он был удостоен Нобелевской премии в области химии в 1961 году.
Итоговая формула
В школах для упрощенного представления фотосинтеза часто резюмируют весь процесс в виде отдельной химической формулы. Характерная для рассматриваемого явления конечная схема имеет вид:
6*H2O + 6*CO2 = 6*O2 + C6H12O6.
С физической точки зрения это уравнение реакции идет с уменьшением энтропии и увеличением внутренней энергии, что говорит о невозможности ее самопроизвольного протекания. Она осуществляется только под воздействием солнечного излучения в результате сложных процессов переноса вещества и электрического заряда внутри хлоропластов. В настоящее время предпринимаются попытки создать искусственно подобную реакцию, но пока лишь удалось воспроизвести ее отдельные этапы.
Влияющие факторы
Учитывая сложность изучаемого явления, можно предположить, что на его эффективность будут влиять несколько ключевых факторов. Следует назвать такие:
- Интенсивность светового излучения. Каждый вид растений живет в определенных комфортных пределах освещенности. Если поддерживать на максимуме в этих пределах рассматриваемый показатель, то фотосинтез будет протекать активно. Дальнейшее увеличение интенсивности не приведет к ускорению процесса, поскольку на него будет накладываться фотоокисление хлорофилла.
- Концентрация газов в атмосфере. Здесь все просто: чем больше углекислоты и меньше кислорода, тем интенсивнее протекает фотосинтез растений.
- Вода. Чем ее меньше в растении, тем медленнее происходит фотосинтез. Этот факт связан с происходящими преобразованиями в клетках, которые призваны сократить количество водяных испарений.
- Температура. Как и в случае с освещением, растение хорошо себя чувствует в определенном интервале температур. Если поддерживать этот параметр в допустимой его максимальной области, то фотосинтез будет активно протекать. Дальнейший рост температуры приведет к его замедлению по причине разложения участвующих в реакциях ферментов.
Таким образом, фотосинтез характеризуется как сложный многофазный процесс, в результате которого образуется органическая материя. А также его результатом является снижение уровня углекислого газа в атмосфере и повышение концентрации кислорода.
