Все живые существа нуждаются в пище и питательных веществах. Питаясь, они используют энергию, запасенную, прежде всего, в органических соединениях – белках, жирах, углеводах. Гетеротрофные организмы используют пищу растительного и животного происхождения, уже содержащую органические соединения. Растения же создают органические вещества в процессе фотосинтеза.
Исследования в области фотосинтеза начались в 1630 г. экспериментами голландца ван Гельмонта. Он доказал, что растения получают органические вещества не из почвы, а создают их самостоятельно.
Джозеф Пристли в 1771 г. доказал «исправление» воздуха растениями. Помещенные под стеклянный колпак они поглощали углекислый газ, выделяемый тлеющей лучиной.
В настоящее время установлено, что фотосинтез – это процесс образования органических соединений из СО2 и воды с использованием энергии света и проходящий в хлоропластах зеленых растений и зеленых пигментах некоторых фотосинтезирующих бактерий.
Хлоропласты и складки цитоплазматической мембраны прокариот содержат зеленый пигмент – хлорофилл, молекула которого способна возбуждаться под действием солнечного света, отдавать свои электроны и перемещать их на более высокие энергетические уровни. Этот процесс можно сравнить с подброшенным вверх мячом. Поднимаясь, мяч запасается потенциальной энергией; падая, он теряет ее. Электроны не падают обратно, а подхватываются переносчиками электронов (НАДФ+ – никотина-миддифосфат). При этом энергия, накопленная ими ранее, частично расходуется на образование АТФ. Продолжая сравнение с подброшенным мячом, можно сказать, что мяч, падая, нагревает окружающее пространство, а часть энергии падающих электронов запасается в виде АТФ. Процесс фотосинтеза подразделяется на реакции, вызываемые светом, и реакции, связанные с фиксацией углерода: световую и темновую фазы.
Световая фаза – это этап, на котором поглощенная хлорофиллом энергия света преобразуется в электрохимическую энергию в цепи переноса электронов. Осуществляется на свету, в мембранах гран при участии белков – переносчиков и АТФ-синтетазы.
Реакции, вызываемые светом, происходят на фотосинтетических мембранах гран хлоропластов:
1) возбуждение электронов хлорофилла квантами света и их переход на более высокий энергетический уровень;
2) восстановление акцепторов электронов – НАДФ+ до НАДФ • Н
2Н+ + 4е- + НАДФ+ → НАДФ • Н;
3) фотолиз воды: 2Н2О → 4Н+ + 4е- + О2.
Данный процесс происходит внутри тилакоидов – складок внутренней мембраны хлоропластов, из которых формируются граны – стопки мембран.
Результаты световых реакций:
- фотолиз воды с образованием свободного кислорода, синтез АТФ,
- восстановление НАДФ+ до НАДФ • Н.
Темновая фаза – процесс преобразования СО2 в глюкозу в строме (пространстве между гранами) хлоропластов с использованием энергии АТФ и НАДФ • Н.
Результат темновых реакций: превращение углекислого газа в глюкозу, а затем в крахмал. Помимо молекул глюкозы в строме происходит образование, аминокислот, нуклеотидов, спиртов.
Суммарное уравнение фотосинтеза
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
Значение фотосинтеза:
образуется свободный кислород, который необходим для дыхания организмов и образования защитного озонового экрана (предохраняющего организмы от вредного воздействия ультрафиолетового излучения); производство исходных органических веществ — пищи для всех живых существ; снижение концентрации диоксида углерода в атмосфере.
Хемосинтез – образование органических соединений из неорганических за счет энергии окислительно - восстановительных реакций соединений водорода, азота, железа, серы.
Роль хемосинтеза: бактерии – хемосинтетики разрушают горные породы, очищают сточные воды, участвуют в образовании полезных ископаемых.
