Рисунок (И. Комяховой или О. Лебедевой) из учебника "Общая биология" 10 кл., перевод с укр., Киев "Генеза" 2001.
ФОТОСИНТЕЗ
(Удобопонятное изложение запутанного текста учебника с добавлением данных из Интернета. Может, кому пригодится.)
Фотосинтез - это превращение энергии Солнца в энергию химических связей. Оно происходит в два этапа, которые называются световой фазой и внутренней (темновой) фазой. В световой фазе энергия, полученная от солнечных лучей, запасается в молекулах АТФ и в атмосферу выделяется кислород. Для этой фазы необходимо, чтобы внутри растения было достаточно воды, а вокруг него достаточно света. В темновой фазе расходуется энергия, запасённая в молекулах АТФ, и образуется кислород и моносахариды, из которых образуются полисахариды. Для этой фазы необходимо, чтобы внутри растения было достаточно энергии и определённых соединений, а вокруг него достаточно углекислого газа. Собранные полисахариды затем участвуют в питании и обмене веществ самого растения.
Все организмы делятся на две группы по типу обмена веществами с окружающим миром. Организмы первой группы превращают неорганические вещества в органические, — их можно назвать "неорганики". Тех из них, для кого главное — световая энергия, можно назвать "лучевиками". А тех, для кого главное — энергия неорганических молекул атмосферы (аммиак), гидросферы (сероводород) или литосферы (железо), можно назвать "хемики" (от греческого слова "хемейа" - химия). Организмы второй группы преобразовывают одни органические вещества в другие органические вещества, — этих можно назвать "органиками".
Фотосинтезом занимаются только лучевики. К ним относятся зелёные растения (высшие растения и водоросли), жгутиковые животные (все они простейшие), цианобактерии, серобактерии (пурпурные и зелёные). Мы будем говорить о том, как происходит фотосинтез у высших растений.
У высших растений фотосинтез происходит в хлоропластах — специальных органеллах клетки, в которых есть необходимые пигменты. Эти пигменты находятся в тилакоидах — складках внутренней мембраны хлоропластов. Главный пигмент, участвующий в фотосинтезе, — хролофилл. По своей стуктуре хлорофилл очень напоминает гем гемоглобина. Только в гемоглобине — атом железа (феррума), а в хлорофилле — атом магния. Молекулы хлорофилла могут принимать и отдавать электроны. Эти молекулы входят в состав фотосинтезирующих слоёв (реакционных центров) — особых стуктур, состоящих из пигментов (кроме хлорофилла там есть и другие пигменты). Такие структуры бывают двух типов: "светоприёмник" и "водорасщепитель" (биологи называют их фотосистема I и фотосистема II). Эти структуры взаимопроникают друг в друга и обмениваются электронами.
В световой фазе первыми начинают светоприёмники. В молекулах хлорофилла электроны принимают световую энергию и переходят на более высокий энергетический уровень в своих атомах. Затем они с помощью этой энергии перемещаются на внешнюю поверхность мембраны. Во время процесса получения лучевой энергии и перемещения электронов между внешней и внутренней поверхностями мембраны образуется разность электрических потенциалов, что создаёт возможность для межатомных взаимодействий. На внешней поверхности электроны восполняют ионы водорода (гидрогениума) Н+ и ионы НАДФ+, которые уже есть в клетке. При этом каждый электрон связывает собою воедино один ион НАДФ+ с одним ионом Н+.
Реакция 1:
(НАДФ+) плюс (е-) плюс (Н+) => НАДФ*Н
НАДФ+ - это окисленная форма Никотин-Амид-аденин-Ди-нуклеотид-Фосфата. Затем НАДФ отдаёт атомы Н для создания молекулы глюкозы.
Часть электронов возвращается обратно в своё прежнее положение в светоприёмники внутрь мембраны, чтобы восполнить пустующее место и снизить энергетическое напряжение.
Часть ионов Н+ начинают перемещаться с внешней поверхности мембраны на внутреннюю, вследствие чего образуется разность концентрации ионов Н+ по обе стороны мембраны. Своим перемещением ионы Н+ поддерживают разность потенциалов.
Как только на мембране достигается необходимая разность потенциалов начинает действовать водорасщепитель (со стороны внутренней поверхности мембраны), и с этого момента оба фотосинтезирующих слоя начинают действовать одновременно, взаимообмениваясь электронами и ионами водорода. Вода в клетках уже должна быть. Каждую пару молекул воды водорасщепитель расщепляет на 4 иона водорода, 4 свободных электрона и одну молекулу кислорода.
Реакция 2:
2 молекулы воды => 4 иона водорода + 4 свободных электрона + 1 молекула кислорода, которая улетает в атмосферу.
Поэтому так важна вода для растений и для выделения ими кислорода в атмосферу. 4(е-) и 4(Н+) начинают участвовать в тех же реакциях, в каких участвуют все прежние электроны и ионы Н+. То есть электроны восполняют свободные места в атомах светоприёмника и водорасщепителя, а ионы Н+ участвуют в создании АТФ. АТФ образуется из АДФ и фосфатной кислоты при участии специального фермента. Энергия, которая при этом выделяется, идёт на расщепление молекул воды.
То есть световая энергия даёт толчок, запускающий в действие фотосинтезирующие слои, а дальше они сами внутри себя циркулируют энергию и создают необходимые вещества. Но это запускается не вечный двигатель, - этим процессам необходима периодическая подпитка, поэтому так важно для растения, чтобы на него падало достаточно света.
Как только появляются необходимые вещества и энергия АТФ, начинается внутренняя фаза фотосинтеза (темновая), которая может происходить и в темноте и на свету, если внутри хлоропластов есть запасы необходимых веществ и энергии, а в воздухе вокруг растения есть углекислый газ.
Используя энергию АТФ, от НАДФ*Н отсоединяется Н и присоединяется к молекуле углекислого газа, который впитывается растением из воздуха. Затем с помощью специальных ферментов из получившихся молекул собираются моносахариды (в том числе глюкоза), а из моносахарид — полисахариды (крахмал, целлюлоза и другие).
Общий упрощенный вид происходящих реакций, без описания работы ферментов:
Реакция 3:
6 молекул углекислого газа + 6 молекул воды => 1 молекула моносахариды + 6 молекул кислорода, которые улетают в атмосферу.
Как видно из реакций 2 и 3 кислород выделяется в обеих фазах фотосинтеза. Так и на свету и в темноте создаются органические молекулы и выделяется кислород, и при этом запасается и тут же расходуется энергия молекул АТФ.
Кроме высших растений, фотосинтезируют и другие неорганики. Но их фотосинтез немного отличается.
У цианобактерий и серобактерий (пурпурных и зелёных) пигменты находятся внутри плазматической мембраны, в специальных её выростах (ворсинках).
У цианобактерий есть и светоприёмники и водорасщепители, и им необходима вода как источник электронов. А в молекулах воды есть атомы кислорода, поэтому цианобактерии выделяют кислород.
У серобактерий есть светоприёмники, а для получения свободных электронов они используют сероводород и молекулярный водород, поэтому кислорода они не выделяют.
Другие неорганики — хемики — занимаются хемосинтезом органических веществ. Хемосинтез — это преобразование неорганических соединений в органические с использованием энергии химических реакций. К хемикам относятся нитробактерии (нитрифицирующие), железобактерии и бесцветные серобактерии.
Нитробактерии превращают аммиак в нитриты, а затем в нитраты.
Железобактерии превращают двухвалентный Fe (феррум, железо) в трёхвалентный, и при этом получают энергию для создания органических молекул.
Бесцветные серобактерии превращают сероводород и другие соединения S (сульфура, серы) в сульфатную кислоту.
В круговороте и превращении веществ в природе хемики играют большую роль.
ЗНАЧЕНИЕ ФОТОСИНТЕЗА В ПРИРОДЕ.
Неорганики-лучевики — не только создают себе запасы энергии и веществ, но и при этом выделяют в атмосферу кислород и перерабатывают углекислый газ в органические молекулы.
К тому же органики, к которым также относятся животные и люди и которые не могут самостоятельно собирать органические вещества из неорганических, используют неорганики и созданные ими вещества, в том числе как еду.
Атмосферный кислород, получая энергию от космических лучей, превращается в озон. Так образуется озоновый слой атмосферы, защищающий Землю от избытка ультрафиолетовых лучей.
Словарик:
внутренняя фаза – темновая фаза
неорганики – автотрофы
лучевики – фототрофы
хемики – хемотрофы
органики – гетеротрофы
фотосинтезирующий слой - реакционный центр
светоприёмник - фотосистема I
водорасщепитель - фотосистема II