Растения – уникальные живые существа нашей планеты. Они сами синтезируют в своих клетках необходимые им продукты питания из неорганических веществ. Одним из основных биохимических процессов в клетках растений является фотосинтез.
Он позволяет получать необходимые для своей жизнедеятельности вещества, используя энергию света. В отличие от животных растения являются своеобразными фабриками по производству органики, используя для этого неисчерпаемый источник энергии – солнечный свет. Что такое фотосинтез в биологии? Что происходит в листьях растений при фотосинтезе? Об этом и многом другом вы прочитаете в нашей статье.
Где происходит фотосинтез у растений
Процесс фотосинтеза происходит внутри клеток растений. Растительная клетка имеет сложное строение и состоит из множества частей – органоидов (органелл). Фотосинтез происходит в следующих органоидах (органеллах) клетки:
Фотосинтез проходит в слое мезофилла. Это основная внутренняя ткань растения, в которой расположены растительные клетки, содержащие хлоропласты. Хлоропласты – мельчайшие пластиды, содержащие специальное вещество – хлорофилл, которое отвечает за фотосинтез растений.
Хлорофилл поглощает световую энергию только в определенном диапазоне. Для успешного прохождения процесса фотосинтеза важны красная и синяя составляющая солнечного спектра. Зеленые волны не поглощаются, а отражаются, поэтому лист растения кажется окрашенным в зеленый цвет.
Помимо хлоропластов в составе клетки имеются другие важные для фотосинтеза части. Вакуоль накапливает воду, которая необходима для прохождения химических реакций фотосинтеза. Клеточная мембрана и стенки клетки обеспечивают необходимый для реакции газообмен.
Все эти вещества должны свободно проникать в ткань листа и проходить сквозь клеточные мембраны. И, наконец, важнейшей частью растительной клетки является ее ядро. В его состав входят генетические марки, которые обеспечивают правильное функционирование всей клеточной структуры.
Что такое фотосинтез и как он проходит
Фотосинтез – химический процесс создания в клетках растений органического вещества из неорганических под воздействием света. Условия необходимые для процесса протекания фотосинтеза — это наличие исходных веществ:
В результате фотосинтеза образуются следующие вещества:
Химическую формулу процесса фотосинтеза можно представить следующим образом:
Углекислый газ в избытке содержится в атмосфере. Он поступает в клетки растения через многочисленные нижние отверстия листа – устьица. Вода необходима для жизнедеятельности растения и содержится в почве.
Из исходных неорганических веществ под воздействием солнечного света синтезируется первичный продукт фотосинтеза глюкоза, а остатки неиспользованного кислорода выделяются в атмосферу.
Зачем растениям нужна глюкоза? Это соединение играет в их жизни важнейшую роль. Вот лишь некоторые процессы, происходящие в тканях растения с участием этого органического вещества:
- Дыхание – процесс расщепления глюкозы на воду и углекислый газ с высвобождением большого количества тепловой энергии;
- Создание запасов органических веществ – создание из глюкозы более стойкого к внешним воздействиям вещества – крахмала, который может храниться в клетках растения длительное время и расходоваться при необходимости;
- Синтез белков, жиров и углеводов – глюкоза является одним из исходных материалов для производства этих веществ, которые необходимы растению для его роста и обеспечения других важнейших процессов в его жизнедеятельности.
Таким образом, основной продукт фотосинтеза- глюкоза является незаменимым источником энергии для жизни растения и материалом для строительства его организма.
Этапы процесса в клетках растений
Фотосинтез в клетках растений осуществляется в 3 этапа:
- Фотофизический или первичный этап;
- Фотохимический или световой этап;
- Ферментативный или темновой этап.
Сущность первичного этапа фотосинтеза заключается в накоплении в хлоропластах растительной клетки световой энергии и передаче ее в особый реакционный центр для обеспечения дальнейших фотохимических процессов.
В процессе фотосинтеза органоиды растения хлоропласты, а точнее молекулы хлорофилла поглощают кванты света и переходят в возбужденное состояние. Но они не остаются в этом состоянии и не хранят в себе световую энергию. Эта энергия передается в молекулы-ловушки, из которой они попадают в реакционный центр.
Около 200-400 молекул хлорофилла имеют энергетическую связь с одной молекулой-ловушкой. В накоплении и передаче световой энергии связи между молекулами играют решающую роль. Продолжением фотофизического является фотохимический этап фотосинтеза, в котором используется уже накопленная световая энергия. Этот этап называется световым, хотя название это неточное.
На самом деле он может проходить и при отсутствии света, используя накопленную ранее световую энергию. Но в процессе фотосинтеза накопление световой энергии и использование ее в фотохимических реакциях происходит одновременно, поэтому фотофизический и фотохимический этап фотосинтеза принято считать его световой фазой.
Этот процесс проходит с использованием накопленной световой энергии и считается частью световой фазы фотосинтеза. 3 этап фотосинтеза – ферментативный. Он может проходить без участия света, так как исходные материалы для его проведения уже получены после прохождения световых этапов.
На 3 этапе из углекислого газа, поступившего в растительную клетку извне, с участием продуктов световой фазы в результате фотосинтеза продуцируется глюкоза. Кислород, полученный при расщеплении воды, выделяется в атмосферу.
Световая фаза
Световая фаза фотосинтеза начинается со сбора световой энергии в светособирающих комплексах молекул хлорофилла и передачи ее в реакционные центры этих комплексов. Молекулы хлорофилла расположены в клетках растений не хаотически.
Читайте также: Ткань прадо тянется или нет блузочная
Они соединяются друг с другом особыми энергетическими связями. Поглощая квант света, молекула хлорофилла получает частицу энергии, которую она передает по энергетическим связям к молекуле, называемой молекулой-ловушкой или реакционным центром.
Каждая молекула хлорофилла может получить фотон света достаточно редко. Но чтобы процессы в растительной клетке не прерывались, фотоны собираются с некоторого участка листа в один реакционный центр.
В него световая энергия будет поступать намного чаще, чем из отдельных молекул хлорофилла. И химические реакции здесь будут идти практически непрерывно. Получив световую энергию, реакционные центры проводят фотолиз воды, которая в достаточном количестве находится в тканях клетки.
Формула фотолиза воды может быть представлена следующим образом;
Вода под воздействием световой энергии распадается на следующие составляющие:
- Протоны водорода (Н + );
- Электроны водорода (е — );
- Кислород (О2).
Но это еще не конечные продукты световой фазы фотосинтеза. Протоны идут на восстановление НАДФ до НАДФН. НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) – соединение, присутствующее во всех растительных и животных клетках и принимающее участие в фотосинтетических процессах.
Это фермент, играющий роль катализатора. Он принимает на себя протоны водорода, превращаясь в НАДФН, а затем отдает их в процессе дальнейших химических реакций. Восстановленный НАДФН и является источником водорода, который используется на темновой стадии фотосинтеза для получения глюкозы из углекислого газа.
Она является источником энергии в различных химических реакциях. В них молекула АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфат), выделяя огромное количество энергии. АТФ – является один из конечных продуктов световой фазы фотосинтеза у растений – энергетическая составляющая, необходимая для прохождения химических реакций темновой фазы.
При фотолизе воды образуется кислород. Так как он не принимает участия в дальнейших химических процессах, растение выделяет его в окружающую среду. Итак, конечными продуктами световой фазы фотосинтеза являются:
Световую фазу фотосинтеза можно представить следующей формулой:
Темновая фаза
Темновая или ферментативная фаза – процесс получения органической глюкозы из углекислого газа. Для ее прохождения свет уже не требуется, если конечные продукты световой фазы имеются в наличии.
Путь С3 называют циклом Кальвина. Он присущ большинству растений на нашей планете. Это сложнейший процесс, проходящий в несколько этапов. Основными этапами цикла Кальвина являются:
- Карбоксилирование;
- Восстановление;
- Регенерация.
В цикле Кальвина осуществляется множество химических реакций, в результате которых синтезируется конечный продукт процесса — органическое соединение глюкоза. Основным отличием этого пути фотосинтеза является первый этап карбоксилирования, когда углекислый газ под воздействием ферментов образует 3-углеродное соединение – фосфоглицериновую кислоту. Поэтому этот путь фотосинтеза назван С3.
Этот путь является модификацией цикла Кальвина и в биологии называется циклом Хэтча-Слэка. Здесь в конечном итоге также образуется глюкоза. Но в этом цикле проходят химические реакции, отличные от С3— пути и используются другие ферменты. Этапы прохождения цикла Хэтча-Слэка:
- Акцептация;
- Декарбоксилирование;
- Цикл Кальвина.
После захвата углекислого газа на этапе акцептации синтезируются 4-углеродные соединения, поэтому этот путь фотосинтеза назван С4. Особенности прохождения С4 пути позволяют растениям накапливать органические кислоты, образующиеся на первых этапах цикла, экономить воду и проводить процесс фотосинтеза в самое жаркое время.
Для этих этапов необходим углекислый газ, но суккуленты не могут получить его днем, поскольку в жару их устьица закрыты и открываются только ночью. А цикл Кальвина у этих растений может проходить днем, когда устьица растений закрыты.
Значение фотосинтеза для растений
В отличие от животных, способных к движению и поиску пищи, растения ведут неподвижный образ жизни. Получить сложные органические соединения сахара, необходимые для строительства их тканей, им неоткуда. Небольшое количество органики растения получают из почвы, но эти соединения они не могут использовать для своей жизнедеятельности в чистом виде.
Но этого питания недостаточно для их полноценного развития. Да и такой процесс охоты связан с большими затратами энергии, которую необходимо откуда-то получать. Вот почему растения приспособились синтезировать органические вещества в своих клетках.
Поэтому в тканях этих живых существ в ходе эволюции сформировался процесс фотосинтеза. Он играет в жизни растений решающую роль. Без него они не могли бы получить необходимые для их жизни органические вещества.
Для растений процесс фотосинтеза решает следующие задачи:
- Получение органики для строительства тканей организма и участия в химических процессах синтеза веществ метаболизма;
- Накопление органических веществ и их хранение;
- Использование накопленной органики для получения энергии путем расщепления.
Благодаря этому процессу растения стали основным источником органических веществ, составляющих основу любой пищевой цепи. Также поглощение углекислого газа и выделение кислорода в процессе фотосинтеза играет важную роль в решении многих экологических проблем.
Процесс фотосинтеза в листьях растений
Осуществляется процесс фотосинтеза в листьях растений. Фотосинтез свойствен лишь зеленым растениям. Эту важнейшую сторону деятельности листа полнее всего характеризует К. А. Тимирязев:
Можно сказать, что в жизни листа выражается самая сущность растительной жизни. Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались — в растении ли, в животном или в человеке, — прошли через лист, произошли из веществ, выработанных листом.
Строение листьев растений
Листья растений по анатомическому строению отличаются большим разнообразием, которое зависит и от вида растения, и от условий их роста. Лист сверху и снизу покрыт эпидермисом — покровной тканью с многочисленными отверстиями, называемыми устьицами.
Читайте также: Группа заболеваний характеризующихся диффузным поражением почечной ткани
Под верхним эпидермисом расположена палисадная, или столбчатая паренхима, называемая ассимиляционной. Под ней находится более рыхлая ткань — губчатая паренхима, за которой идет нижний эпидермис.
Весь лист пронизан сетью жилок, состоящих из проводящих пучков, по которым проходят вода, минеральные и органические вещества.
В столбчатой и губчатой ткани листа расположены зеленые пластиды — хлоропласты, содержащие пигменты. Наличием хлоропластов и содержащихся в них зеленых пигментов (хлорофиллов) объясняется окраска растений.
Огромная листовая поверхность, достигающая 30 000 — 50 000 кв. м на 1 га у разных растений, хорошо приспособлена для успешного поглощения СО2из воздуха в процессе фотосинтеза.
Углекислый газ проникает в лист растения через устьица, расположенные в эпидермисе, поступает в межклетники и, проникая через оболочку клеток, попадает в цитоплазму, а затем в хлоропласты, где и осуществляется процесс ассимиляции.
Образующийся в этом процессе кислород диффундирует с поверхности хлоропластов в свободном состоянии.
Таким образом, через устьица осуществляется газообмен листьев с внешней средой — поступление углекислого газа и выделение кислорода в процессе фотосинтеза, выделение углекислого газа и поглощение кислорода в процессе дыхания. Кроме того, устьица служат для выделения паров воды.
Несмотря на то, что общая площадь устьичных отверстий составляет лишь 1—2% всей листовой поверхности, тем не менее при открытых устьицах углекислый газ проникает в листья со скоростью, превышающей в 50 раз поглощение его щелочью. Количество устьиц очень велико — от нескольких десятков до 1500 на 1 кв. мм.
Хлоропласты
Хлоропласты — зеленые пластиды, в которых происходит процесс фотосинтеза. Они расположены в цитоплазме. У высших растений хлоропласты имеют дискообразную или линзовидную форму, у низших они более разнообразны.
Хлоропласты в клетках зеленых растений
Размер хлоропластов у высших растений довольно постоянен, составляя в среднем 1 —10 мк. Обычно в клетке содержится большое количество хлоропластов, в среднем 20—50, а иногда и больше. Расположены они главным образом в листьях, много их в незрелых плодах.
В растении общее количество хлоропластов огромно; во взрослом дереве дуба, например, площадь их равняется 2 га. Хлоропласт имеет мембранную структуру. От цитоплазмы он отделен двухмембранной оболочкой.
В хлоропласте находятся ламеллы, белково-липоидные пластинки, собранные в пучки и называемые гранами. Хлорофилл расположен в ламеллах в виде мономолекулярного слоя. Между ламеллами находится водянистая белковая жидкость — строма; в ней встречаются крахмальные зерна и капли масла.
Строение хлоропласта хорошо приспособлено к фотосинтезу, так как разделение хлорофиллоносного аппарата на мелкие пластинки значительно увеличивает активную поверхность хлоропласта, что облегчает доступ энергии и перенос ее к химическим системам, участвующим в фотосинтезе.
Данные А. А. Табенцкого показывают, что хлоропласты все время изменяются в онтогенезе растения. В молодых листьях наблюдается мелкогранулярная структура хлоропластов, в листьях, закончивших рост,— крупногранулярная. В старых листьях уже наблюдается распад хлоропластов.
В сухом веществе хлоропластов содержится 20—45% белков, 20—40% липоидов, 10—12% углеводов и других запасных веществ, 10% минеральных элементов, 5—10% зеленых пигментов (хлорофилл а и хлорофилл б), 1—2% каротиноидов, а также небольшое количество РНК и ДНК.
Содержание воды достигает 75%. В хлоропластах имеется большой набор гидролитических и окислительно-восстановительных ферментов.
Исследованиями Н. М. Сисакяна показано, что в хлоропластах происходит и синтез многих ферментов. Благодаря этому они принимают участие во всем сложном комплексе процессов жизнедеятельности растения.
Пигменты, их свойства и условия образования
Пигменты можно извлечь из листьев растений спиртом или ацетоном. В вытяжке находятся следующие пигменты: зеленые — хлорофилл а и хлорофилл б; желтые — каротин и ксантофилл (каротиноиды).
Хлорофилл
Хлорофилл представляет собой
одно из интереснейших веществ на земной поверхности
так как благодаря ему возможен синтез органических веществ из неорганических СО2 и Н2О. Хлорофилл не растворяется в воде, под влиянием солей, кислот и щелочей легко изменяется, поэтому было очень трудно установить его химический состав.
Для извлечения хлорофилла обычно применяют этиловый спирт или ацетон. Хлорофилл имеет следующие суммарные формулы:
У хлорофилла а больше на 2 атома водорода и меньше на 1 атом кислорода, чем у хлорофилла б. Формулы хлорофилла можно представить и так:
Центральное место в молекуле хлорофилла занимает Мg; его можно вытеснить, подействовав на спиртовую вытяжку хлорофилла соляной кислотой. Зеленый пигмент превращается в бурый, называемый феофитином, в котором Мg замещается двумя атомами Н из соляной кислоты.
Восстановить зеленый цвет вытяжки очень легко внесением в молекулу феофитина магния или другого металла. Следовательно, зеленый цвет хлорофилла связан с наличием в его составе металла.
При воздействии на спиртовую вытяжку хлорофилла щелочью происходит отщепление спиртовых групп (фитола и метилового спирта); в этом случае зеленая окраска хлорофилла сохраняется, что указывает на сохранение ядра молекулы хлорофилла при этой реакции. Химический состав хлорофилла у всех растений одинаков.
Читайте также: Milena ткани для штор
Содержание хлорофилла а всегда больше (примерно в 3 раза), чем хлорофилла б. Общее количество хлорофилла невелико и составляет около 1 % от сухого вещества листа.
По своей химической природе хлорофилл близок к красящему веществу крови — гемоглобину, центральное место в молекуле которого занимает не магний, а железо.
В соответствии с этим различаются и их физиологические функции: хлорофилл принимает участие в важнейшем восстановительном процессе в растении — фотосинтезе, а гемоглобин — в процессе дыхания животных организмов, перенося кислород.
Оптические свойства пигментов
Хлорофилл поглощает солнечную энергию и направляет ее на химические реакции, которые не могут протекать без энергии, получаемой извне. Раствор хлорофилла в проходящем свете имеет зеленый цвет, но при увеличении толщины слоя или концентрации хлорофилла он приобретает красный цвет.
Хлорофилл поглощает свет не сплошь, а избирательно. При пропускании белого света через призму получается спектр, состоящий из семи видимых цветов, которые постепенно переходят друг в друга.
При пропускании белого света через призму и раствор хлорофилла на полученном спектре наиболее интенсивное поглощение будет в красных и сине-фиолетовых лучах.
Зеленые лучи поглощаются мало, поэтому в тонком слое хлорофилл имеет в проходящем свете зеленый цвет. Однако с увеличением концентрации хлорофилла полосы поглощения расширяются (значительная часть зеленых лучей также поглощается) и без поглощения проходит только часть крайних красных.
Спектры поглощения хлорофилла а и б очень близки. В отраженном свете хлорофилл кажется вишнево-красным, так как он излучает поглощенный свет с изменением длины его волны. Это свойство хлорофилла называется флюоресценцией.
Каротин и ксантофилл
Каротин и ксантофилл имеют полосы поглощения только в синих и фиолетовых лучах. Их спектры близки друг другу. Спектры поглощения хлорофиллом а и б
Поглощенная этими пигментами энергия передается хлорофиллу а, который является непосредственным участником фотосинтеза.
Каротин считают провитамином А, так как при его расщеплении образуются 2 молекулы витамина А. Формула каротина — С40Н56, ксантофилла — С40Н54(ОН)2.
Условия образования хлорофилла
Образование хлорофиллаосуществляется в 2 фазы: первая фаза — темновая, во время которой образуется предшественник хлорофилла — протохлорофилл, а вторая — световая, при которой из протохлорофилла на свету образуется хлорофилл.
Образование хлорофилла зависит как от вида растения, так и от ряда внешних условий. Некоторые растения, например проростки хвойных, могут позеленеть и без участия света, в темноте, но у большинства растений хлорофилл образуется из протохлорофилла только на свету.
В отсутствие света получаются этиолированные растения, имеющие тонкий, слабый, сильно вытянутый стебель и очень мелкие бледно-желтые листья. Если выставить этиолированные растения на свет, то листья быстро позеленеют. Это объясняется тем, что в листьях уже имеется протохлорофилл, который под воздействием света легко превращается в хлорофилл.
Большое влияние на образование хлорофилла оказывает температура; при холодной весне у некоторых кустарников листья не зеленеют до установления теплой погоды: при понижении температуры подавляется образование протохлорофилла.
Минимальной температурой, при которой начинается образование хлорофилла, является 2°, максимальной, при которой образование хлорофилла не происходит, 40°.
Кроме определенной температуры, для образования хлорофилла необходимы элементы минерального питания, особенно железо. При его отсутствии у растений наблюдается заболевание, называемое хлорозом.
По-видимому, железо является катализатором при синтезе протохлорофилла, так как в состав молекулы хлорофилла оно не входит. Для образования хлорофилла также необходимы азот и магний, входящие в состав его молекулы. Важным условием является и наличие в клетках листа пластид, способных к позеленению.
При их отсутствии листья растений остаются белыми, растение не способно к фотосинтезу и может жить только до тех пор, пока не израсходует запасы семени. Это явление называется . Оно связано с изменением наследственной природы данного растения.
Количественные отношения между хлорофиллом и усваиваемой углекислотой
При большем содержании хлорофилла в растении процесс фотосинтеза начинается при меньшей интенсивности света и даже при более низкой температуре. С увеличением содержания хлорофилла в листьях фотосинтез возрастает, но до известного предела.
Следовательно, нет прямой зависимости между содержанием хлорофилла и интенсивностью поглощения СО2. Количество ассимилированного листом СО2 в час в пересчете на единицу содержащегося в листе хлорофилла тем выше, чем меньше хлорофилла.
Р. Вильштеттером и А. Штолем была предложена единица, характеризующая соотношение между количеством хлорофилла и поглощенным углекислым газом. Количество разложенной в единицу времени углекислоты, приходящееся на единицу веса хлорофилла, они назвали ассимиляционным числом.
Ассимиляционное число непостоянно: оно больше при малом содержании хлорофилла и меньше при высоком содержании его в листьях. Следовательно, молекула хлорофилла используется более продуктивно при низком его содержании в листе и продуктивность хлорофилла уменьшается с увеличением его количества. Данные введены в таблицу.
Таблица «Ассимиляционное число в зависимости от содержания хлорофилла (по Р. Вильштеттеру и А. Штолю)»
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом