Що таке фотосинтез і чому він такий важливий для нашої планети

Що відбувається в процесі фотосинтезу, які бувають пігменти і чому листя змінює колір восени, які організми першими почали фотосинтезувати і що буде, якщо рослини зникнуть з лиця землі? Розбираємось разом з Іваном Полікарповим, викладачем біології у Домашній школі Фоксфорда.

Іван Полікарпов,
викладач біології у Домашній школі Фоксфорда

Британський хімік Джозеф Прістлі та голландський біолог Ян Інгенхауз у XVIII столітті з'ясували, що рослини виділяють кисень і для цього їм потрібні сонячні промені. У XIX столітті вчені зрозуміли, що рослини використовують для фотосинтезу вуглекислий газ, а німецький дослідник природи Юліус Роберт фон Майєр постулював на підставі закону про збереження енергії, що рослини перетворять енергію сонячного світла в енергію хімічних зв'язків. Наприкінці ХІХ століття німецький хімік Вільгельм Пфеффер придумав назву процесу — фотосинтез. Таким чином, до кінця XIX століття вже знали, що у фотосинтезі використовуються вода та вуглекислий газ, а в результаті утворюються глюкоза та кисень під дією сонячного світла.

Паралельно вчені виділили головних учасників фотосинтезу – пігменти – за допомогою хроматографії. Це складний процес, який дозволив розділити суміш молекул у клітині. Перші хроматограми отримав російський біохімік Михайло Колір у 1900 році, а в даний час це один із найбільш широко застосовуваних аналітичних методів.

У XX столітті вчені досліджували пігменти та механізми протікання фотосинтезу, а в XXI столітті генні інженери зі стартапу Living Carbon займаються підвищенням ефективності фотосинтезу тополь за допомогою генної модифікації.

Що таке фотосинтез

Фотосинтез - процес, при якому в клітинах, що містять хлорофіл, під дією енергії світла утворюються органічні речовини з неорганічних. При фотосинтезі рослина поглинає вуглекислий газ та воду, синтезує органічні речовини та виділяє кисень як побічний продукт фотосинтезу.

Процеси фотосинтезу йдуть у тканинах, що містять хлоропласти, — переважно в листі, на який припадає більшість процесів фотосинтезу. Така тканина називається хлоренхім або мезофіл.

Щоб зрозуміти, що відбувається у клітинах при фотосинтезі, потрібно докладніше розглянути структуру хлоропластів. Хлоропласти – це органоїди рослинних клітин, у яких відбувається фотосинтез.

Хлоропласт зеленої рослини – це двомембранний органоїд. Зовнішня мембрана проникна більшість органічних і неорганічних сполук. Внутрішня мембрана має вибіркову проникність і завдяки транспортним білкам здатна контролювати, які саме речовини потраплять у внутрішній простір хлоропласту.

Для хлоропластів характерна складна система внутрішніх мембран — тилакоїдів, що дозволяє просторово організувати фотосинтетичний апарат, упорядкувати та розділити реакції фотосинтезу, несумісні між собою, та їх продукти. Мембрани утворюють тилакоїди, які, своєю чергою, збираються в «стопки» — грани. Простір усередині тилакоїдів називається внутрішньотилакоїдним простором або люменом.

Внутрішній простір хлоропласту між гранами заповнює строма — гідрофільний слабоструктурований матрикс. У стромі містяться необхідні для реакцій синтезу цукрів ферменти, а також рибосоми, кільцева молекула ДНК, крохмальні зерна.

Пігменти хлоропластів

Що відбувається під час фотосинтезу? На молекулярному рівні фотосинтез забезпечують спеціальні речовини — пігменти, завдяки яким енергія сонячного світла трансформується в енергію хімічних зв'язків і стає доступною для біологічних систем. У фотосинтезуючих організмів можна виділити три основні групи пігментів: хлорофіли, каротиноїди та фікобіліни.

У хлоропластах пігменти асоційовані з білками за допомогою іонних, водневих та інших типів зв'язків — вони утворюють комплекси, так звані фотосистему І та фотосистему II, які організують набір реакцій перетворення світлової енергії на енергію хімічних зв'язків. Не варто забувати, що рослини мають безліч інших пігментів, що знаходяться не в хлоропластах і не беруть прямої участі у фотосинтезі, наприклад антоціани, але вони антиоксиданти і допомагають уникати руйнування хлорофілу при яскравому сонячному світлі.

Хлорофіл

Хлорофіли у складі фотосистем виконують функції поглинання, перетворення та транспортування енергії світла. Найкраще хлорофіли поглинають світло в синій (430-460 нм) та червоній (650-700 нм) областях електромагнітного спектру. Зелену область спектру хлорофіли ефективно відбивають, що надає рослині зеленого кольору.

Цікаво, що будова молекули хлорофілу схожа на будову гемоглобіну, але центр молекули хлорофілу — іон магнію, а не заліза.

Основні хлорофіли вищих рослин — хлорофіл a та хлорофіл b, вони входять до складу реакційних центрів фотосистем та світлозбиральних комплексів мембран тилакоїдів хлоропластів. Світлозбиральні комплекси вловлюють кванти світла і передають енергію до фотосистем I і II.Фотосистеми - це пігмент-білкові комплекси, що відіграють ключову роль у світловій фазі фотосинтезу.

Каротиноїди

Каротиноїди – це жовті, помаранчеві чи червоні пігменти, вони також входять до складу фотосистем. У зеленому листі каротиноїди зазвичай непомітні через наявність у листі хлорофілу. При руйнуванні хлорофілу восени саме каротиноїди надають листям характерного жовто-жовтогарячого забарвлення.

• Антенна - входять до складу світлозбиральних комплексів, вловлюють енергію світла і передають її на хлорофіли. Каротиноїди відіграють роль додаткових світлозбиральних пігментів у тій частині спектру (450-570 нм), де хлорофіли є малоефективними. Особливо це важливо для водних екосистем, в яких оптимальні хвилі для хлорофілів довжини швидко зникають з глибиною.
• Захисна (антиоксидантна) – знешкодження агресивних кисневих сполук (активних форм кисню) та надлишку хлорофілу у збудженому стані при надто яскравому освітленні.

Каротиноїди хімічно є 40-вуглецевим ланцюгом з двома вуглецевими кільцями по краях ланцюга. У будові ксантофілів, на відміну каротинів, присутні спиртові, ефірні чи альдегідні групи.

Фікобіліни

Фікобіліни - це пігменти червоних водоростей, глаукофіт, криптофіт та ціанобактерій (синьозелених водоростей). Окремими молекулами фікобіліну, як правило, не представлені, а утворюють комплекси з білками - фікобіліпротеїди (хромопротеїди):

• червоний - фікоеритробілін;
• помаранчевий - фікоуробілін;
• блакитний - фіковіолобілін, також відомий як фікобілівіолін, знайдений у фікоеритроціаніні;
• блакитний -фікоціанобілін, також відомий як фікобілевердин.

Що відбувається у процесі фотосинтезу

Процес фотосинтезу можна розділити на дві фази: світлову та темнову.

У ході світлової фази фотосинтезу утворюється енергія у вигляді АТФ та універсальний донор атома водню – відновник НАДФН (НАДФ·Н2). Ці речовини необхідні протікання темнової фази. Також виробляється побічний продукт – кисень. Світлова фаза може проходити лише на мембранах тилакоїдів та на світлі.

Завдяки серії біохімічних реакцій – циклу Кальвіна – у темнову фазу фотосинтезу утворюються органічні речовини (цукри). Темнова фаза проходить у стромі хлоропластів і на світлі, і в темряві. Ферментативні процеси темнової фази протікають повільніше, ніж світлові, тому при дуже яскравому висвітленні швидкість протікання фотосинтезу повністю визначатиметься швидкістю темнової фази.

Світлова фаза фотосинтезу

Щоб краще зрозуміти, що відбувається під час фотосинтезу, розберемо його фази. Світлова фаза фотосинтезу включає фотохімічні і фотофізичні процеси, її можна розділити на три етапи:

1. Фаза поглинання - енергія світла вловлюється за допомогою хлорофілу, каротиноїдів (або фікобіліну у деяких водоростей і ціанобактерій) у складі світлозбиральних комплексів, далі переходить в енергію електронного збудження пігментів і передається до реакційного центру фотосистем I та II.
2. Фаза реакційних центрів - Енергія електронного збудження пігментів світлозбиральних комплексів використовується для активації реакційних центрів фотосистем. У реакційному центрі електрон від збудженого хлорофілу передається іншим компонентам електронно-транспортного ланцюга, пігмент після віддачі електрона перетворюється на окислений стан і стає здатним, своєю чергою, віднімати електрони в інших речовин. Саме в цьому процесі відбувається перетворення фізичної форми енергії на хімічну.
3. Фаза електронно-транспортного ланцюга електрони переносяться по ланцюгу переносників, утворюються АТФ, НАДФН, O₂. Необхідно, щоб кожен переносник електронно-транспортного ланцюга по черзі відновлювався та окислювався, забезпечуючи таким чином перенесення енергії електронів. Будь-який етап перенесення електрона супроводжується вивільненням чи поглинанням енергії. Частина енергії губиться. На деяких ділянках електронно-транспортного ланцюга перенесення електрона пов'язане з перенесенням протона.

Хоч як це дивно, але все починається саме з фотосистеми II. На світлозбираючі комплекси фотосистеми II потрапляють кванти світла - відбувається збудження молекули хлорофілу фотосистеми II, молекула хлорофілу віддає електрон і переходить у окислений стан. Нестачу електрона хлорофіл заповнює завдяки фотолізу води, при цьому утворюються протони H+, а також важливий побічний продукт фотосинтезу – кисень. Протони, що потрапляють у внутрішньотилакоїдний простір, надалі використовуються для синтезу АТФ. За ланцюжком переносників електрон від хлорофілу фотосистеми II потрапляє до хлорофілу реакційного центру фотосистеми I і відновлює його. Тепер цей хлорофіл може знову поглинати енергію кванта світла та віддавати електрон у електрон-транспортний ланцюг.

Фотосистема I отримує електрони від фотосистеми II і, поглинаючи кванти світла світлозбираючими комплексами фотосистеми I, перетворюється на збуджений стан, енергія передається в реакційний центр фотосистеми I. У фотосистемі I формується сильний відновник, що відновлює НАДФ + - утворюється НАДФН НАДФН використовується для подальших реакцій відновлення вуглецю у хлоропластах у циклі Кальвіна.Крім того, фотосистема I може здійснювати циклічний транспорт електронів, пов'язаний із синтезом АТФ, забезпечуючи додатковий синтез АТФ у хлоропластах.

Темнова фаза фотосинтезу

Що утворюється при фотосинтезі темнову фазу? У стромі хлоропластів за допомогою енергії АТФ та відновника НАДФН, отриманих у світлову фазу, утворюються прості цукри, з яких у ході інших процесів синтезується крохмаль. Ферментативні процеси не потребують світла. Найважливішим процесом, що відбувається у темнову фазу фотосинтезу, є фіксація вуглекислого газу повітря. Синтез і перетворення цукрів у хлоропластах мають циклічний характер і звуться цикл Кальвіна.

У ньому можна виділити три етапи:

1. Фаза карбоксилювання (введення CO₂ у цикл).
2. Фаза відновлення (використовуються АТФ та НАДФН, отримані у світлову фазу).
3. Фаза регенерації (перетворення цукрів).

У стромі хлоропластів знаходиться похідне п'ятивуглецевого цукру рибулози (рибулозо-1,5-бісфосфат). За допомогою особливого ферменту (РуБісКО) до похідного рибози приєднується CO₂ (реакція карбоксилювання) — утворюється нестійка шестивуглецева сполука, яка швидко розпадається на дві тривуглецеві молекули. Далі, із витратою АТФ і НАДФН, отриманих у ході світлових процесів, тривуглецева сполука модифікується — утворюється відновлена ​​сполука з атомом фосфору та альдегідною групою у складі. Тепер перед клітиною стоїть проблема: необхідно отримати шестивуглецеву сполуку – глюкозу для синтезу крохмалю, а також п'ятивуглецеву – похідну рибулозу для того, щоб ці процеси могли розпочатися заново.Для вирішення цієї проблеми у фазу регенерації з отриманих раніше тривуглецевих сполук під дією ферментів утворюються чотири-, п'яти-, шести-і семивуглецеві цукру. З шестивуглецевої молекули утворюється глюкоза, з якої синтезується крохмаль. З п'ятивуглецевої молекули утворюється похідне рибулози, і цикл замикається. Інші цукру клітина також використовує в інших біохімічних процесах.

Окремо варто сказати про дуже важливий фермент першої фази циклу Кальвіна - рибулозобісфосфаткарбоксилазу (РуБісКО). Це складний фермент, що складається з 16 субодиниць, з молекулярною масою у вісім разів більше, ніж у гемоглобіну. Це один із найважливіших ферментів у природі, оскільки відіграє центральну роль в основному механізмі надходження неорганічного вуглецю (з CO₂) в біологічний кругообіг. Зміст РуБісКО в листі рослин дуже великий, він вважається найпоширенішим ферментом Землі.

Значення фотосинтезу

Основу атмосфери Землі мільярди років тому становили вуглекислий газ, сірководень, аміак, метан, на користь чого є геологічні свідчення. Поява фотосинтезу сприяла нагромадженню кисню в атмосфері, а також утворенню озонового шару.

Згідно з гіпотезою пурпурової Землі, першими почали фотосинтезувати археї, які у складі своїх мембран мали більш просто влаштований ретиналь замість хлорофілу. Складна молекула хлорофілу з'явилася пізніше і показала більшу ефективність — саме тому зараз ми називаємо Землю зеленою планетою. За оцінками експертів, це сталося між 3,5 та 2,4 мільярдами років тому, під час архейського періоду.

Киснева катастрофа трапилася 2,45 мільярда років тому, внаслідок чого змінився характер атмосфери Землі з відновлювального на окисний, а спільноти - з анаеробних на аеробні. Нащадків перших архей, що фотосинтезують, можна знайти і до цього дня в рожевих озерах по всьому світу.

Без кисню неможливо уявити сучасну різноманітність живих організмів — вони просто не змогли б вийти на сушу через згубну дію жорсткого ультрафіолетового випромінювання. Крім того, кисень необхідний для дихання, оскільки це ефективний окислювач органічних речовин як самих рослин, так і тварин.

У процесі фотосинтезу енергія світла перетворюється на енергію хімічних зв'язків, утворюються органічні речовини, які є харчуванням майже всіх гетеротрофів. Майже всі живі організми, крім хемосинтетиків, однак користуються продуктами, які виділяються при фотосинтезі.

Якщо рослини моментально зникнуть з лиця землі, то тваринам нема чого їсти і ніде жити, порушиться кругообіг води, почне руйнуватися грунт. Першими загинуть травоїдні тварини, а за ними і всі хижаки — з голоду. Накопичення парникових газів в атмосфері через розкладання організмів і зупинку виробництва кисню, швидше за все, призведуть до того, що на Землі залишаться тільки анаеробні бактерії і еволюція почнеться спочатку. При цьому ймовірність повторення вже знайомого нам сценарію вкрай мала: цілком можливо, що після зникнення рослин мільярди років пануватимуть анаеробні бактерії, розкладаючи органічну речовину, що залишилася, і тільки коли вона закінчиться, можливо, виникнуть нові фотосинтетичні організми.

Або напишемо на пошту, якщо не вийде додзвонитися

Фотосинтез коротко і зрозуміло

Фотосинтез - Це процес синтезу органічних речовин з неорганічних за рахунок енергії світла. У переважній більшості випадків фотосинтез здійснюють рослини за допомогою таких клітинних органел як хлоропласти, що містять зелений пігмент хлорофіл.

Якби рослини не були здатні до синтезу органіки, то майже всім іншим організмам на Землі не було чим харчуватися, оскільки тварини, гриби і багато бактерій не можуть синтезувати органічні речовини з неорганічних. Вони лише поглинають готові, розщеплюють їх у простіші, у тому числі знову збирають складні, але характерні для свого тіла.

Така справа, якщо говорити про фотосинтез і його роль зовсім коротко. Щоб зрозуміти фотосинтез, треба сказати більше: які саме неорганічні речовини застосовуються, як відбувається синтез?

Для фотосинтезу потрібні дві неорганічні речовини - вуглекислий газ (CO₂) та вода (H₂O). Перший поглинається з повітря надземними частинами рослин переважно через устячка. Вода - з ґрунту, звідки доставляється в фотосинтезуючі клітини провідною системою рослин. Також для фотосинтезу потрібна енергія фотонів (hν), але їх не можна зарахувати до речовини.

Загалом у результаті фотосинтезу утворюється органічна речовина та кисень (O₂). Зазвичай під органічною речовиною найчастіше мають на увазі глюкозу (C₆H₁₂O₆).

Органічні сполуки здебільшого складаються з атомів вуглецю, водню та кисню. Саме вони містяться у вуглекислому газі та воді. Однак при фотосинтезі відбувається виділення кисню. Його атоми беруться із води.

Коротко та узагальнено рівняння реакції фотосинтезу прийнято записувати так:

Але це рівняння не відбиває суті фотосинтезу, робить його зрозумілим.Подивіться, хоча рівняння збалансоване, у ньому загальна кількість атомів у вільному кисні 12. Але ми сказали, що вони беруться з води, а там лише 6.

Насправді фотосинтез протікає у дві фази. Перша називається світловий, друга - темновий. Такі назви обумовлені тим, що світло потрібне лише для світлової фази, темнова фаза незалежна від його наявності, але це не означає, що вона йде в темряві. Світлова фаза протікає на мембранах тилакоїдів хлоропласту, темнова - у стромі хлоропласту.

У світлову фазу зв'язування CO₂ не відбувається. Відбувається лише вловлювання сонячної енергії хлорофільними комплексами, запасання їх у АТФ, використання енергії відновлення НАДФ до НАДФ*H₂. Потік енергії від збудженого світлом хлорофілу забезпечується електронами, що передаються електронно-транспортним ланцюгом ферментів, вбудованих в мембрани тилакоїдів.

Водень для НАДФ береться з води, яка під дією сонячного світла розкладається на атоми кисню, протони водню та електрони. Цей процес називається фотолізом. Кисень із води для фотосинтезу не потрібен. Атоми кисню із двох молекул води з'єднуються з утворенням молекулярного кисню. Рівняння реакції світлової фази фотосинтезу коротко виглядає так:

Таким чином, виділення кисню відбувається у світлову фазу фотосинтезу. Кількість молекул АТФ, синтезованих з АДФ та фосфорної кислоти, що припадають на фотоліз однієї молекули води, може бути різною: одна або дві.

Отже, із світлової фази в темнову надходять АТФ та НАДФ*H₂. Тут енергія першого та відновна сила другого витрачаються на зв'язування вуглекислого газу.Цей етап фотосинтезу неможливо пояснити просто і стисло, тому що він протікає не так, що шість молекул CO₂ об'єднуються з воднем, що вивільняється з молекул НАДФ*H₂, і утворюється глюкоза:

6CO₂ + 6НАДФ*H₂ →С₆H₁₂O₆ + 6НАДФ
(Реакція йде з витратою енергії АТФ, яка розпадається на АДФ та фосфорну кислоту).

Наведена реакція – лише спрощення полегшення розуміння. Насправді молекули вуглекислого газу зв'язуються по одній, приєднуються до вже готової п'ятивуглецевої органічної речовини. Утворюється нестійка шестивуглецева органічна речовина, яка розпадається на тривуглецеві молекули вуглеводу. Частина цих молекул використовується на ресинтез вихідної п'ятивуглецевої речовини для зв'язування CO₂. Такий ресинтез забезпечується циклом Кальвіна. Менша частина молекул вуглеводу, що включає три атоми вуглецю, виходить із циклу. Вже їх та інших речовин синтезуються й інші органічні речовини (вуглеводи, жири, білки).

Тобто насправді із темнової фази фотосинтезу виходять тривуглецеві цукри, а не глюкоза.

Що таке фотосинтез?

Фотосинтез – це процес, що використовується рослинами, водоростями та деякими бактеріями для перетворення сонячного світла, вуглекислого газу (CO2) та води в їжу (цукор) та кисень. Ось огляд загальних принципів фотосинтезу та пов'язаних з ним досліджень, які допоможуть розробити чисті види палива та джерела відновлюваної енергії.

Види фотосинтетичних процесів

Існує два види фотосинтетичних процесів: кисневий фотосинтез та аноксигенний фотосинтез. Обидва вони дотримуються дуже схожих принципів, але кисневий фотосинтез є найпоширенішим і спостерігається у рослин, водоростей та ціанобактерій.

Під час кисневого фотосинтезу світлова енергія переносить електрони з води (H2O), поглиненої корінням рослин, на CO2 для вуглеводів. У цьому перенесенні СО2 «відновлюється» чи отримує електрони, а вода «окислюється» чи втрачає електрони. Кисень виробляється разом із вуглеводами.

Кисневий фотосинтез діє як противагу диханню, поглинаючи CO2, що виробляється всіма дихаючими організмами, і повторно вводячи кисень в атмосферу.

Тим часом аноксигенний фотосинтез використовує донори електронів, які не є водою і не виробляють кисень. Цей процес зазвичай відбувається у бактерій, таких як зелені серобактерії та фототрофні пурпурні бактерії. (1)

Рівняння фотосинтезу

Хоча обидва види фотосинтезу є складними та багатоступінчастими, загальний процес можна акуратно резюмувати у вигляді хімічного рівняння.

Рівняння кисневого фотосинтезу:

6CO2 + 12H2O + Світлова енергія → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

Тут 6 молекул вуглекислого газу (CO2) поєднуються з 12 молекулами води (H2O), використовуючи енергію світла. Кінцевим результатом є утворення однієї молекули вуглеводу (C6H12O6 або глюкози) разом із 6 молекулами кисню та 6 молекулами води.

Так само різні реакції аноксигенного фотосинтезу можна подати у вигляді єдиної узагальненої формули:

CO2 + 2H2A + світлова енергія → [CH2O] + 2A + H2O

Літера A у рівнянні є змінною, а H2A є потенційним донором електронів. Наприклад, A може позначати сірку в сірковододі (H2S), що є донором електронів. (2)

Як відбувається обмін діоксиду вуглецю та кисню?

Продихання є воротарами листа, забезпечуючи газообмін між листом і навколишнім повітрям.(Зображення надано: Уолдо Нелл / 500px / Getty Images)

Рослини поглинають CO2 з навколишнього повітря і виділяють воду і кисень через мікроскопічні пори на своєму листі, звані продихами. Продихання служать воротами газообміну між внутрішньою частиною рослин і зовнішнім середовищем.

Коли продихи відкриваються, вони пропускають СО2; проте, коли продихи відкриті, вони виділяють кисень і дозволяють вийти водяним парам. Щоб зменшити втрату води, продихи закриваються, але це означає, що рослина більше не може отримувати CO2 для фотосинтезу. Цей компроміс між збільшенням кількості CO2 і втратою води є особливою проблемою для рослин, що ростуть у спекотних і посушливих умовах.

Як рослини поглинають сонячне світло для фотосинтезу?

Рослини містять спеціальні пігменти, що поглинають світлову енергію, необхідну для фотосинтезу.

Хлорофіл є основним пігментом, що використовується для фотосинтезу і надає рослинам зелений колір. Хлорофіл поглинає червоне та синє світло для використання у фотосинтезі та відображає зелене світло. Хлорофіл – велика молекула, для виробництва якої потрібно багато ресурсів; як такий, він руйнується до кінця життя листка, і більшість азоту (один із будівельних блоків хлорофілу) всмоктується назад у рослину. Коли восени листя втрачає свій хлорофіл, інші пігменти листя, такі як каротиноїди та антоціани, починають виявляти свій справжній колір. У той час як каротиноїди в основному поглинають синє світло і відбивають жовте, антоціани поглинають синьо-зелене світло і відбивають червоне. (3, 4)

Молекули пігменту пов'язані з білками, що дозволяє їм гнучко рухатися назустріч світлу та один одному. Велике скупчення із 100–5000 молекул пігменту становить «антену».Ці структури ефективно вловлюють світлову енергію сонця як фотонів. (5)

З бактеріями ситуація трохи інша. У той час як ціанобактерії містять хлорофіл, інші бактерії, наприклад, пурпурні бактерії та зелені серобактерії, містять бактеріохлорофіл, що поглинає світло для аноксигенного фотосинтезу.

Де у рослині відбувається фотосинтез?

Для фотосинтезу рослин потрібна енергія сонячного світла. (Зображення надано: Shutterstock)

Фотосинтез відбувається у хлоропластах, типі пластид (органели з мембраною), які містять хлорофіл і в основному виявляються у листі рослин. Двомембранні пластиди в рослинах і водоростях відомі як первинні пластиди, тоді як мультимембранні пластиди, виявлені в планктоні, називаються вторинними пластидами. (6)

Хлоропласти схожі на мітохондрії, енергетичні центри клітин, тим, що вони мають власний геном чи набір генів, які у кільцевої ДНК. Ці гени кодують білки, необхідні для органел та фотосинтезу. (7)

Усередині хлоропластів знаходяться пластинчасті структури, які називаються тилакоїдами, які відповідають за збирання фотонів світла для фотосинтезу. Тилакоїди покладені один на одного в стовпці, відомі як грани. Між гранами знаходиться строма - рідина, що містить ферменти, молекули та іони, в якій відбувається утворення цукру. (8)

Зрештою світлова енергія має бути передана комплексу пігмент-білок, який може перетворити її на хімічну енергію у формі електронів. У рослинах світлова енергія передається пігментам хлорофілу. Перетворення на хімічну енергію здійснюється, коли пігмент хлорофілу виганяє електрон, який потім може перейти до відповідного одержувача.

Пігменти та білки, які перетворюють енергію світла на хімічну енергію та запускають процес перенесення електронів, відомі як реакційні центри.

Реакції фотосинтезу рослин діляться на дві основні стадії: ті, що вимагають присутності сонячного світла (світлозалежні реакції), і ті, що не вимагають наявності сонячного світла (світлонезалежні реакції). У хлоропластах протікають обидва типи реакцій: світлозалежні реакції в тилакоїді та світлонезалежні реакції в стромі.

Світлозалежні реакції

Коли рослина поглинає сонячну енергію, їй спочатку необхідно перетворити її на хімічну енергію.

Коли фотон світла потрапляє до реакційного центру, молекула пігменту, така як хлорофіл, вивільняє електрон.

Електрону, що звільнився, вдається піти, подорожуючи ланцюгом перенесення електронів, що генерує енергію, необхідну для виробництва АТФ (аденозинтрифосфату, джерела хімічної енергії для клітин) і НАДФН – обидва з яких необхідні на наступному етапі фотосинтезу у відновлювальному пентозофосфатному. "Електронна діра" у вихідному пігменті хлорофілу заповнюється за рахунок взяття електронів з води. Внаслідок розщеплення молекул води в атмосферу виділяється кисень.

Світлонезалежні реакції: відновлювальний пентозофосфатний цикл

Фотосинтез включає процес, званий відновним пентозофосфатним циклом, для використання енергії, накопиченої в результаті світлозалежних реакцій, для перетворення CO2 в цукру, необхідні для росту рослин. (Зображення надано: wikipedia.org)

Відновлювальний пентозофосфатний цикл, або цикл Кальвіна, використовує енергію, накопичену в результаті світлозалежних реакцій, для перетворення CO2 в цукру, необхідні для росту рослин.Ці реакції відбуваються в стромі хлоропластів і не запускаються безпосередньо світлом – звідси їхня назва «світлонезалежні реакції».

По-перше, CO2 з'єднується з рибулозо-1,5-бісфосфатом (РуБФ), який є п'ятивуглецевим акцептором. , також відомим як рубіско.

Друга стадія циклу Кальвіна включає перетворення 3-ФГК у тривуглецевий цукор, званий гліцеральдегід-3-фосфатом (Г3Ф) – у процесі використовуються АТФ та НАДФН Нарешті, в той час як одні молекули Г3Ф використовуються для виробництва глюкози, інші рециркулюють назад РуБФ, який використовується на першому етапі для ухвалення CO2. кожну молекулу Г3Ф, яка виробляє глюкозу, п'ять молекул рециркулюють із заснуванням трьох акцепторних молекул РуБФ.

Фотодихання

Рубіско може іноді зв'язувати кисень замість СО2 у циклі Кальвіна, який витрачає енергію – процес, відомий як фотодихання. . (10, 11)

Фотодихання є особливо великою проблемою, коли продихи рослин закриті для економії води і тому більше не поглинають CO2.Це означає, що вироблятиметься менше їжі рослини (цукри), що може призвести до уповільнення росту і, отже, зменшення розмірів рослин.

Це велика проблема для сільського господарства, тому що менші рослини означають менший урожай. На сільськогосподарську галузь виявляється зростаючий тиск з метою підвищення продуктивності рослин, щоб прогодувати населення Землі, що постійно зростає. Вчені постійно шукають способи підвищити ефективність фотосинтезу та зменшити частоту неефективного фотодихання.

Види фотосинтезу

Існує три основні види фотосинтетичних шляхів: C3, C4 та CAM. Всі вони виробляють цукор з CO2, використовуючи цикл Кальвіна, але кожен шлях трохи відрізняється.

Три основні типи фотосинтетичних шляхів – це C3, C4 та CAM. Більшість рослин використовують фотосинтез C3, включаючи рис та бавовну. (Зображення надано: Ендрю ТБ Тан / Getty Images)

C3-фотосинтез

Більшість рослин використовують C3-фотосинтез, включаючи зернові (пшениця та рис), бавовну, картопля та сою. C3-фотосинтез названий на честь тривуглецевої сполуки, яка називається 3-фосфогліцериновою кислотою (3-ФГК), яку він використовує під час циклу Кальвіна. 3-ФГК утворюється, коли рубіско фіксує CO2, утворюючи тривуглецеву сполуку. (12)

C4-фотосинтез

Такі рослини, як кукурудза та цукрова тростина, використовують C4-фотосинтез. У цьому процесі використовується проміжне з'єднання, що складається з чотирьох атомів вуглецю (зване оксалоацетатом), яке перетворюється на малат. Потім малат транспортується в провідний пучок, де він руйнується і виділяє CO2, який потім фіксується рубиско і перетворюється на цукру в циклі Кальвіна (так само, як фотосинтез C3).Рослини C4 краще пристосовані до жаркого і сухого навколишнього середовища і можуть продовжувати утримувати вуглець, навіть коли їх продихи закриті (оскільки у них є розумне рішення для зберігання), що знижує їх ризик фотодихання. (13)

CAM-фотосинтез

Кислотний метаболізм товстянкових (CAM) виявляється у рослин, адаптованих до дуже жарких та сухих умов, таких як кактуси та ананаси. Коли продихи відкриваються для поглинання CO2, вони ризикують втратити воду у зовнішнє середовище. Через це рослини адаптувалися у дуже посушливих та жарких умовах. Одна з адаптацій – CAM, при якому рослини відкривають продихи вночі (коли температура нижче і втрата води менш небезпечна). CO2 потрапляє в рослини через продихи, фіксується в оксалоацетат і перетворюється на малат або іншу органічну кислоту (як у дорозі C4). Потім CO2 доступний для світлозалежних реакцій у денний час, і продихи закриваються, що знижує ризик втрати води. (14)

Як фотосинтез може боротися зі зміною клімату

Фотосинтезують організми – це можливий засіб для виробництва екологічно чистого палива, такого як водень. Група дослідників з Університету Турку у Фінляндії вивчила здатність зелених водоростей виробляти водень. Зелені водорості можуть виділяти водень протягом декількох секунд, якщо вони спочатку піддаються впливу темних анаеробних (безкисневих) умов, а потім піддаються впливу світла. Як повідомляється в їхньому дослідженні 2018 року, опублікованому в журналі Energy & Environmental Science, дослідники розробили спосіб продовжити виробництво водню зеленими водоростями до трьох днів. (15)

Вчені також досягли успіхів у галузі штучного фотосинтезу.Наприклад, група дослідників з Каліфорнійського університету в Берклі розробила штучну систему для уловлювання CO2 з використанням нанодроту або проводів діаметром кілька мільярдних часток метра. Дріт проникає в систему мікробів, які зменшують CO2 паливо або полімери, використовуючи енергію сонячного світла. Команда опублікувала свій дизайн у 2015 році в журналі Nano Letters. (16)

У 2016 році члени цієї групи опублікували дослідження в журналі Science, В якому описана ще одна штучна фотосинтетична система, в якій спеціально сконструйовані бактерії використовувалися для створення рідкого палива з використанням сонячного світла, води та CO2. Загалом рослини можуть використовувати лише близько одного відсотка сонячної енергії та використовувати її для виробництва органічних сполук під час фотосинтезу. Навпаки, штучна система дослідників змогла використати 10% сонячної енергії для органічних сполук. (17)

У 2019 році дослідники написали в Journal of Biological Chemistry, що ціанобактерії можуть підвищити ефективність ферменту рубіско Вчені виявили, що ці бактерії особливо хороші в концентрації СО2 у своїх клітинах, що допомагає запобігти випадковому зв'язуванню рубиско з киснем. Розуміючи, як бактерії досягають цього, вчені сподіваються впровадити цей механізм у рослини, щоб підвищити ефективність фотосинтезу та знизити ризик фотодихання. (18)

Безперервні дослідження природних процесів допомагають вченим у розробці нових способів використання різних джерел відновлюваної енергії, а використання сили фотосинтезу є логічним кроком для створення екологічно чистих та вуглецевих видів палива.

Працює екологічним та науковим журналістом понад 15 років. Пише про науку, культуру, космос і сталий розвиток. Позаштатний автор сайту "Знання - світло".