Фотосинтез: что это такое и как он работает?

Фотосинтез необходим практически для всего живого, и он является основным источником кислорода в атмосфере.

Фотосинтез окружает нас повсюду. Он происходит под нашими ногами, над нашими головами и в освещенных солнцем зонах водной среды. Но что такое фотосинтез? Почему он так важен? И когда он появился? Ответы на эти и другие вопросы вы найдете ниже.

Что такое фотосинтез?

Фотосинтез — это процесс, в ходе которого синтезируются молекулы углеводов. Он используется растениями, водорослями и некоторыми бактериями для превращения солнечного света, воды и углекислого газа в кислород и энергию в виде сахара. Это, вероятно, самый важный биохимический процесс на планете.

По сути, он забирает углекислый газ, выделяемый всеми дышащими организмами, и возвращает его в атмосферу в виде кислорода.

На скорость фотосинтеза влияют интенсивность освещения, концентрация углекислого газа, поступление воды, температура и наличие минералов. Процесс происходит полностью в хлоропластах, и именно хлорофилл, содержащийся в хлоропластах, придает фотосинтезирующим частям растения зеленый цвет.

Фотосинтез важен и в других частях биосферы. Как морские, так и наземные растения извлекают углекислый газ из атмосферы, и часть его осаждается обратно в виде раковин из карбоната кальция или захоранивается в почве в виде органического вещества.

Без фотосинтеза круговорот углерода не мог бы происходить, и у нас вскоре закончилась бы пища. Со временем атмосфера потеряла бы почти весь газообразный кислород, и большинство организмов исчезло бы.

Как происходит фотосинтез?

Растениям требуется световая энергия, углекислый газ, вода и питательные вещества. Эти ингредиенты поступают как из прилегающей атмосферы, так и из почвы.

Фаза 1

Растения поглощают солнечный свет через два верхних слоя листьев - кутикулу и эпидермис. Эти слои тонкие, поэтому свет легко проходит через них. Углекислый газ поступает из атмосферы, и в то же время вода всасывается из почвы в тело живого растения.

Фаза 2

Сразу под кутикулой и эпидермисом находятся палисадные клетки мезофилла. Эти специализированные клетки имеют вертикальную вытянутую форму и расположены близко друг к другу для максимального поглощения света.

Ниже клеток палисадного мезофилла находится губчатая мезофилловая ткань, которая неплотно упакована для эффективного газообмена. Когда газы движутся внутрь и наружу из этих клеток, они растворяются в тонком слое воды, покрывающем клетки.

Фаза 3

Внутри палисадных клеток мезофилла находятся хлоропласты, много хлоропластов. Они содержат хлорофилл — молекулы, которые не поглощают зеленые волны белого света. Вместо этого они отражают его обратно, придавая растениям зеленый цвет.

Фаза 4

Внутри хлоропласта происходит волшебство. Происходит светозависимая реакция, при которой энергия световых волн поглощается и сохраняется в энергонесущих молекулах АТФ.

Затем в светонезависимой реакции (цикл Кальвина) АТФ используется для производства глюкозы, источника энергии. Вода окисляется, углекислый газ восстанавливается, а кислород выбрасывается в атмосферу.

Кислород выделяется через устьица в листьях, микроскопические поры, которые открываются, чтобы впустить углекислый газ и выпустить кислород (и водяной пар).

Какое уравнение фотосинтеза?

Фотосинтезирующие организмы составляют основу пищевой цепи.

Углекислый газ + вода (с энергией света) = глюкоза + кислород

Помимо световой энергии, углекислого газа и воды, растениям необходимы питательные вещества, которые они получают из почвы. Эти питательные вещества снова высвобождаются, или перерабатываются, когда ткани растения отмирают и начинают разлагаться в почве.

Кислород в виде молекул газа (O2) является побочным продуктом фотосинтеза, но именно он отвечает за содержание кислорода в воздухе, который поддерживает нашу жизнь. Растения также выделяют энергию и воду в атмосферу в процессе дыхания.

6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Сбалансированное уравнение идет немного дальше. Шесть молекул углекислого газа и шесть молекул воды (реагенты) превращаются в одну молекулу сахара (C₆H₁₂O₆) и шесть молекул кислорода посредством световой энергии, захваченной хлорофиллом.

Фотосинтез и пищевая цепь

Во время фотосинтеза энергия проходит через систему, и вы можете думать о фотосинтезе как о системе потока энергии, прослеживающей путь солнечной энергии через экосистему. Эта энергия запасается первичными продуцентами, фотосинтезирующими организмами. Когда эти организмы поедаются и перевариваются первичными потребителями, высвобождается химическая энергия, которая используется для запуска новых биохимических реакций.

На каждом уровне преобразования энергии по всей пищевой цепи часть энергии теряется в виде тепла. Кроме того, значительная часть энергии, поступающей в каждый организм, используется в процессе дыхания для поддержания жизнедеятельности организма. Эта энергия не сохраняется для использования другими организмами, находящимися выше по пищевой цепи.

Когда начался фотосинтез?

Эволюция фотосинтеза имела огромные последствия для Земли. По мере того как органические вещества фотосинтетической жизни захоранивались в толщах земли, углерод удалялся из атмосферы, позволяя накапливаться кислороду.

Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что фотосинтезирующие организмы существовали примерно 3,2-3,5 миллиарда лет назад в виде строматолитов. Строматолиты представляют собой слоистые микробные структуры (обычно чередование светлых и темных слоев), обычно образованные цианобактериями и водорослями, и являются самыми древними известными окаменелостями, а значит, и самым ранним свидетельством жизни на Земле.

Когда этот ранний кислород распространился в верхние слои атмосферы (стратосферу), солнечное излучение превратило молекулы кислорода в озон, в результате чего образовался озоновый слой стратосферы. И, конечно, поскольку озоновый слой поглощает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, он играет важную роль в защите здоровья человека, поэтому маловероятно, что жизнь процветала бы без этого защитного щита.