Фотосинтез конспект егэ биология

Типы питания

По типу питания живые организмы делятся на автотрофы, гетеротрофы и миксотрофы. Автотрофы (греч. αὐτός — сам + τροφ — пища)
— организмы, которые самостоятельно способны синтезировать органические вещества из неорганических. Гетеротрофы (греч. ἕτερος
— иной + τροφή — пища) — организмы, использующие для питания готовые органические вещества.

Наконец, миксотрофы (греч. μῖξις — смешение + τροφή — пища) — организмы, которые могут использовать как гетеротрофный, так и
автотрофный способ питания. К примеру, эвглена зеленая на свету начинает фотосинтезировать, а в темноте питается гетеротрофно.

Фотосинтез

Фотосинтез (греч. φῶς — свет и σύνθεσις — синтез) — сложный химический процесс преобразования энергии квантов света в
энергию химических связей. В результате фотосинтеза происходит синтез органических веществ из неорганических.

Этот процесс уникален и происходит только в растительных клетках, а также у некоторых бактерий. Фотосинтез осуществляется при участии хлорофилла (греч. χλωρός — зелёный и φύλλον — лист) — зеленого пигмента, окрашивающего органы растений в
зеленый цвет. Существуют и другие вспомогательные пигменты, которые вместе с хлорофиллом выполняют светособирающую
или светозащитную функции.

Ниже вы увидите сравнение строения хлорофилла и гемоглобина. Обратите внимание, что в центре молекулы хлорофилла находится
ион Mg.

В высшей степени гениально значение процесса фотосинтеза подчеркнул русский ученый К.А. Тимирязев: «Все органические вещества,
как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли
от веществ, выработанных листом. Вне листа или, вернее, вне хлорофиллового зерна в природе не существует лаборатории, где бы выделялось
органическое вещество. Во всех других органах и организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь
из вещества неорганического»

Более подробно мы обсудим значение фотосинтеза в завершение этой статьи. Фотосинтез состоит из двух фаз: светозависимой (световой)
и светонезависимой (темновой). Я рекомендую использовать названия светозависимая и светонезависимая, так как они способствуют
более глубокому (и правильному!) пониманию фотосинтеза.

Светозависимая фаза (световая)

Эта фаза происходит только на свету на мембранах тилакоидов в хлоропластах. В ней принимают участие различные ферменты,
белки-переносчики, молекулы АТФ-синтетазы и зеленый пигмент хлорофилл.

Хлорофилл выполняет две функции: поглощения и передачи энергии. При воздействии кванта света хлорофилл теряет электрон,
переходя в возбужденное состояние. С помощью переносчиков электроны скапливаются с наружной поверхности мембраны тилакоидов,
тем временем внутри тилакоида происходит фотолиз воды (разложение под действием света):

H₂O —> H⁺ + OH^—

Гидроксид-ионы отдают лишний электрон, превращаясь в реакционно способные радикалы OH, которые собираются вместе и образуют молекулу воды и свободный кислород (это побочный продукт, который в дальнейшем удаляется в ходе газообмена).

4OH —> 2H₂O + O₂↑

Образовавшиеся при фотолизе воды протоны (H⁺) скапливаются с внутренней стороны мембраны тилакоидов, а
электроны — с внешней. В результате по обе стороны мембраны накапливаются противоположные заряды.

При достижении критической разницы, часть протонов проталкивается на внешнюю сторону мембраны через канал АТФ-синтетазы.
В результате этого выделяется энергия, которая может быть использована для фосфорилирования молекул АДФ:

Протоны, попав на поверхность мембраны тилакоидов, соединяются с электронами и образуют атомарный водород, который
используется для восстановления молекулы-переносчика НАДФ (никотинамиддинуклеотидфосфат). Благодаря этому окисленная
форма — НАДФ⁺ превращается в восстановленную — НАДФ∗H₂.

Предлагаю создать квинтэссенцию из полученных нами знаний. Итак, в результате светозависимой фазы фотосинтеза образуются:

• Свободный кислород O₂ — в результате фотолиза воды
• АТФ — универсальный источник энергии
• НАДФ∗H₂ — форма запасания атомов водорода

Кислород удаляется из клетки как побочный продукт фотосинтеза, он совершенно не нужен растению. АТФ и НАДФ∗H₂
в дальнейшем оказываются более полезны: они транспортируются в строму хлоропласта и принимают участие в светонезависимой
фазе фотосинтеза.

Светонезависимая (темновая) фаза

Светонезависимая фаза происходит в строме (матриксе) хлоропласта постоянно: и днем, и ночью — вне зависимости от
освещения.

При участии АТФ и НАДФ∗H₂ происходит восстановление CO₂ до глюкозы C₆H₁₂O₆.
В светонезависимой фазе происходит цикл Кальвина, в ходе которого и образуется глюкоза. Для образования одной молекулы глюкозы
требуется 6 молекул CO₂, 12 НАДФ∗H₂ и 18 АТФ.

Таким образом, в результате темновой (светонезависимой) фазы фотосинтеза образуется глюкоза, которая в дальнейшем может быть преобразована
в крахмал, служащий для запасания питательных веществ у растений.

Значение фотосинтеза

Значение фотосинтеза невозможно переоценить. Уверенно утверждаю: именно благодаря этому процессу жизнь на Земле приобрела такие
чудесные и изумительные формы, какие мы видим вокруг себя: удивительные растения, прекрасные цветы и самые разнообразные животные.

В разделе эволюции мы уже обсуждали, что изначально в составе атмосферы Земли не было кислорода: миллиарды лет назад его начали вырабатывать
первые фотосинтезирующие бактерии — сине-зеленые водоросли (цианобактерии). Постепенно кислород накапливался, и со временем на Земле
стало возможно аэробное (кислородное) дыхание. Возник озоновый слой, защищающий все живое на нашей планете от губительного ультрафиолета.

Говоря о роли фотосинтеза, выделим следующие функции, объединяющиеся в так называемую космическую роль растений. Итак, растения за счет фотосинтеза:

• Синтезируют органические вещества, являющиеся пищей для всего живого на планете
• Преобразуют энергию света в энергию химических связей, создают органическую массу
• Растения поддерживают определенный процент содержания O₂ в атмосфере, очищают ее от избытка CO₂
• Способствуют образованию защитного озонового экрана, поглощающего губительное для жизни ультрафиолетовое излучение

Хемосинтез (греч. chemeia – химия + synthesis — синтез)

Хемосинтез — автотрофный тип питания, который характерен для некоторых микроорганизмов, способных создавать органические
вещества из неорганических. Это осуществляется за счет энергии, получаемой при окислении других неорганических соединений
(железо- , азото-, серосодержащих веществ).

Хемосинтез был открыт русским микробиологом С.Н. Виноградским в 1888 году. Большинство хемосинтезирующих бактерий относится
к аэробам, для жизни им необходим кислород.

При окислении неорганических веществ выделяется энергия, которую организмы запасают в виде энергии химических связей.
Так нитрифицирующие бактерии последовательно окисляют аммиак до нитрита, а затем — нитрата. Нитраты могут быть усвоены
растениями и служат удобрением.

Помимо нитрифицирующих бактерий, встречаются:

• Серобактерии — окисляют H₂S —> S ⁰ —> (S⁺⁴O₃)^2- —> (S⁺⁶O₄)^2-
• Железобактерии — окисляют Fe⁺² —>Fe⁺³
• Водородные бактерии — окисляют H₂ —> H⁺¹₂O
• Карбоксидобактерии — окисляют CO до CO₂

Значение хемосинтеза

Хемосинтезирующие бактерии являются неотъемлемым звеном круговорота в природе таких элементов как: азот, сера, железо.

Нитрифицирующие бактерии обеспечивают переработку (нейтрализацию) ядовитого вещества — аммиака. Они также обогащают
почву нитратами, которые очень важны для нормального роста и развития растений.

Усвоение нитратов происходит за счет клубеньковых бактерий на корнях бобовых
растений, однако важно помнить, что клубеньковые (азотфиксирующие) бактерии, в отличие от нитрифицирующих бактерий, питаются гетеротрофно.

«Фотосинтез и хемосинтез»

Раздел ЕГЭ: 2.5. Обмен веществ и превращения энергии — свойства живых организмов. Энергетический обмен и пластический обмен, их взаимосвязь. Стадии энергетического обмена. Брожение и дыхание. Фотосинтез, его значение, космическая роль. Фазы фотосинтеза. Световые и темновые реакции фотосинтеза, их взаимосвязь. Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий на Земле.

---

---

Фотосинтез

 Фотосинтез — это процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических соединений с участием хлорофилла. В фотосинтезе различают световые и темновые реакции.

Световая фаза фотосинтеза протекает на мембранах тилакоидов, несущих несколько типов белковых комплексов, основными из которых являются фотосистемы I и II, а также АТФ-синтаза. В состав фотосистем входят пигментные комплексы, в которых, кроме хлорофилла, присутствуют и каротиноиды.

Кроме пигментных комплексов, фотосистемы включают и ряд белков-акцепторов электронов, которые последовательно передают друг другу электроны от молекул хлорифилла. Последовательность этих белков называется электронтранспортной цепью хлоропластов. С фотосистемой II также ассоциирован кислородвыделяющий белковый комплекс.

В световой фазе кванты света, или фотоны, попадающие на молекулы хлорофилла, расположенные на мембранах тилакоидов, переводят их в возбужденное состояние, характеризующееся более высокой энергией электронов. При этом возбужденные электроны от хлорофилла фотосистемы I передаются через цепь посредников на переносчик водорода НАДФ, присоединяющий при этом протоны водорода, всегда имеющиеся в водном растворе:

Электроны от хлорофилла фотосистемы II также передаются по электронтранспортной цепи, однако они заполняют «электронные дырки» хлорофилла фотосистемы I. Недостаток электронов в хлорофилле фотосистемы II заполняется за счет отнимания у молекул воды, которое происходит с участием уже упоминавшегося выше кислород-выделяющего комплекса. В результате разложения молекул воды, которое называется фотолизом, образуются протоны водорода и выделяется молекулярный кислород, являющийся побочным продуктом фотосинтеза:

Протоны водорода, накопившиеся в полости тилакоида в результате фотолиза воды и нагнетания при переносе электронов по электронтранспортной цепи, вытекают из тилакоида через канал в мембранном белке — АТФ-синтазе, при этом из АДФ синтезируется АТФ. Данный процесс называется фотофосфорилированием. Образовавшаяся в световых реакциях АТФ впоследствии будет использована в темновых реакциях.

Суммарное уравнение реакций световой фазы фотосинтеза можно записать следующим образом:

В ходе темновых реакций фотосинтеза происходит связывание молекул СО₂ в виде углеводов, на которое расходуются молекулы АТФ и НАДФН + Н⁺, синтезированные в световых реакциях:

Процесс связывания углекислого газа является сложной цепью превращений, названий циклом Кальвина в честь его первооткрывателя. Темновые реакции протекают в строме хлоропластов. Для их протекания необходим постоянный приток углекислого газа извне.

Таким образом, в процессе фотосинтеза энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей сложных органических соединений не без участия хлорофилла. Суммарное уравнение фотосинтеза можно записать следующим образом:

Реакции световой и темновой фаз фотосинтеза взаимосвязаны, так как увеличение скорости лишь одной группы реакций влияет на интенсивность всего процесса фотосинтеза только до определенного момента, пока вторая группа реакций не выступит в роли лимитирующего фактора, и возникает потребность в ускорении реакций второй группы для того, чтобы первые происходили без ограничений.

В результате фотосинтеза образуется примерно 150 млрд тонн органического вещества и приблизительно 200 млрд тонн кислорода ежегодно. Этот процесс обеспечивает круговорот углерода в биосфере, не давая накапливаться углекислому газу и препятствуя тем самым возникновению парникового эффекта и перегреву Земли. Образующиеся в результате фотосинтеза органические вещества не расходуются другими организмами полностью, значительная их часть в течение миллионов лет образовала залежи полезных ископаемых (каменного и бурого угля, нефти). Из кислорода под действием электрических разрядов образуется озон, который формирует озоновый экран, защищающий все живое на Земле от губительного действия ультрафиолетовых лучей.

Наш соотечественник, выдающийся физиолог растений К. А. Тимирязев (1843—1920) назвал роль фотосинтеза «космической», поскольку он связывает Землю с Солнцем (космосом), обеспечивая приток энергии на планету.

Хемосинтез

 Хемосинтез — это процесс синтеза органических соединений за счет химической энергии неорганических соединений. Этот процесс был открыт выдающимся русским ученым С. Н. Виноградским в 1887 году.

К группе хемосинтетиков (хемотрофов) относятся в основном бактерии: нитрифицирующие, серобактерии, железобактерии и др. Они используют энергию окисления соединений азота, серы, ионов железа соответственно. При этом донором электронов выступает не вода, а другие неорганические вещества.

Так, нитрифицирующие бактерии окисляют образованный из атмосферного азота азотфиксирующими бактериями аммиак до нитритов и нитратов:

2NH₃ + 3O₂ → 2HNO₂ + 2H₂O + 663 кДж,

2HNO₂ + O₂ → 2HNO₃ + 192 кДж.

 Серобактерии окисляют сероводород до серы, а в некоторых случаях — и до серной кислоты:

 2H₂S + O₂ → 2H₂O + 2S + 272 кДж,

2S + 3O₂ + 2H₂O → 2H₂SO₄ + 483 кДж.

 Железобактерии окисляют соли железа:

4FeCO₃ + O₂ + 6H₂O → 4Fe(OH)₃ + 4CO₂↑ + 324 кДж.

Водородные бактерии способны окислять молекулярный водород:

2H₂ + O₂ → 2H₂O + 235 кДж.

Источником углерода для синтеза органических соединений у всех автотрофных бактерий выступает углекислый газ.

Хемосинтезирующие бактерии наиболее значительную роль играют в биогеохимических циклах химических элементов в биосфере, так как в процессе их жизнедеятельности образовались залежи многих полезных ископаемых. Кроме того, они являются источниками органического вещества на планете, то есть продуцентами, а также делают доступным целый ряд неорганических веществ и для растений, и для других организмов.

---

Это конспект для 10-11 классов по теме «Фотосинтез и хемосинтез».
Читайте также другие конспекты, относящиеся к разделу ЕГЭ 2.5:

• Обмен веществ и превращения энергии — свойства живых организмов. Энергетический обмен и пластический обмен, их взаимосвязь.
• Стадии энергетического обмена. Брожение и дыхание.

ФОТОСИНТЕЗ

1.
Общее уравнение фотосинтеза

Фотосинтез — это процесс 
трансформации поглощенной организмом энергии света в химическую энергию
органических соединений. Главную роль в этом процессе  играет использование
энергии света для восстановления СО₂ до уровня углеводов. Однако в
процессе фотосинтеза могут восстанавливаться сульфат или нитрат, образовываться
Н₂; энергия света расходуется также на транспорт веществ через
мембраны и на другие процессы. Поэтому часто говорят о фототрофной функции
фотосинтеза, понимая под этим использование энергии света в различных реакциях
в живом организме. Фотосинтез осуществляют высшие растения, водоросли и
некоторые бактерии. Он играет определяющую роль в энергетике биосферы.

Фотосинтез описывают следующими
уравнениями:

4Н₂О ®
4ОН^— — 4е^— +4Н⁺®
2Н₂О + О₂ + 4Н⁺

2НАДФ + 4е^— + 2Н⁺® 2НАДФ×Н

2Н⁺ + 2НАДФ×Н + СО₂®2НАДФ +Н₂О+СН₂О

СО₂+Н₂О → СН₂О
+ О₂.

2.
Пигменты пластид

Фотосинтез осуществляется в тех частях
растения, где имеются зеленые тельца — хлоропласты. Так как хлоропластов больше
всего в листьях, то лист является основным органом ассимиляции углерода. У
надземных растений углекислый газ поступает через устьица, у водных — вместе с
водой, в которой он растворен. Хотя устьичные щели составляют примерно 1%
площади листа, углекислоты в лист поступает достаточное количество.

В мезофилле листа СО₂
передвигается по межклетникам и поступает в клетки палисадной и губчатой
паренхимы через стенки, вместе с водой. Дальнейшая судьба СО₂
связана с хлоропластами. Именно в них ходит фотосинтез. Снаружи хлоропласты
имеют двойную белково-липоидную оболочку, внутри — зернистую строму, в которой
наблюдаются пластинчатые двойные мембраны — ламеллы, состоящие из молекул белка
и сложных эфиров и содержащие фосфор и пигменты. Длинные ламеллы тянутся вдоль
всей пластиды. Короткие ламеллы собраны стопками (вроде столбиков монет). Их
называют гранами. В ламеллах происходит преобразование световой энергии в
химическую, протекают различные биохимические реакции. При благоприятных условиях
в пластидах образуется хлорофилл.

Пигменты пластид относятся к трем
классам веществ: хлорофиллам, фикобиллинам и каротиноидам.

У высших растений и у водорослей
обнаружены хлорофиллы a, b, c, d. Все фотосинтезирующие растения, включая все
группы водорослей, а также цианобактерии содержат хлорофиллы группы a. Хлорофилл b представлен у высших растений, у зеленых водорослей
и эвгленовых. У бурых и диатомовых водорослей вместо хлорофилла b присутствует хлорофилл c, а у многих красных водорослей — хлорофилл  d.

В твердом виде хлорофилл а представляет
собой аморфное вещество сине-черного цвета. Температура плавления хлорофилла а
117—120 °С. Хлорофиллы хорошо растворимы в этиловом эфире, бензоле, хлороформе,
ацетоне, этиловом спирте, плохо растворимы в петролейном эфире и нерастворимы в
воде.

Раствор хлорофилла а в этиловом
эфире имеет сине-зеленый цвет, хлорофилла b — желто-зеленый.
Резко выраженные максимумы поглощения хлорофиллов лежат в красной и синей
частях спектра. В этиловом эфире максимумы поглощения хлорофиллов группы а в
красной части спектра — в пределах 660—663 нм, в синей — 428—430 нм, хлорофилла
b
— соответственно в пределах 642—644
и 452—455 нм. Хлорофиллы очень слабо поглощают оранжевый и желтый свет и совсем
не поглощают зеленые и инфракрасные лучи.

Растворы хлорофиллов в полярных
растворителях обладают яркой флуоресценцией (люминесценцией). В этиловом
эфире у хлорофилла а наблюдается рубиново-красная флуоресценция с
максимумом 668 нм, у хлорофилла b — 648
нм, т. е. максимумы флуоресценции в соответствии с правилом Стокса несколько
сдвинуты в более длинноволновую часть спектра по отношению к максимумам
поглощения. Агрегированный хлорофилл и хлорофилл в живом листе флуоресцируют
слабо. Растворы хлорофиллов способны также к фосфоресценции (т. е.
длительному послесвечению), максимум которого лежит в инфракрасной области.

Отметим, что молекула хлорофилла
благодаря структурным и физико-химическим особенностям способна выполнять три
важнейшие функции: 1) избирательно поглощать энергию света, 2) запасать ее в
виде энергии электронного возбуждения, 3) фотохимически преобразовывать энергию
возбужденного состояния в химическую энергию первичных фотовосстановленных и
фотоокисленных соединений.

Сине-зеленые водоросли
(цианобактерии), красные морские водоросли и некоторые морские криптомонады
помимо хлорофилла а и каротиноидов содержат пигменты фикобилины. Наиболее
известные представители фикобилинов — фикоэритробилины и фикоцианобилины.
Первые преобладают у красных водорослей и определяют их цвет, вторые
— у сине-зеленых.

Максимумы
поглощения света фикобилинов находятся между двумя максимами
поглощения у хлорофилла — в оранжевой, желтой
и зеленой части спектра. У водорослей фикобилины — дополнительные пигменты, выполняющие вместо хлорофилла b функции светособирающего комплекса. Около 90 %
энергии света, поглощенного фикобилинами, передается на хлорофиллы а.

Каротиноиды — жирорастворимые пигменты желтого,
оранжевого, красного цветов — присутствуют в хлоропластах всех растений. Они
входят также в состав хромопластов в незеленых частях растений, например в корнеплодах
моркови, от латинского наименования которой (Daucus carota L.) они и получили
свое название. В зеленых листьях каротиноиды обычно незаметны из-за присутствия
хлорофилла, но осенью, когда хлорофилл разрушается, именно каротиноиды придают
листьям характерную желтую и оранжевую окраску.

К каротиноидам относятся три группы
соединений: 1) оранжевые или красные пигменты каротины (С₄₀Н₅₆);
2) желтые ксантофиллы (С₄₀Н₅₆О₂ и С₄₀Н₅₆О₄);
3) каротиноидные кислоты — продукты окисления каротиноидов с
укороченной цепочкой и карбоксильными группами (например, С₂₀Н₂₄О₄—
кроцетин, имеющий две карбоксильные группы).

Каротины и ксантофиллы хорошо
растворимы в хлороформе, бензоле, сероуглероде, ацетоне. Каротины легко
растворимы в петролейном и диэтиловом эфирах, но почти нерастворимы в метаноле
и этаноле. Ксантофиллы хорошо растворимы в спиртах и значительно хуже в петролейном
эфире. Синтез каротиноидов происходит в темноте, но резко ускоряется при действии
света. Спектры поглощения каротиноидов характеризуются двумя полосами в фиолетово-синей
и синей областях от 400 до 500 нм. и липидами фотосинтетических мембран.

Каротиноиды выполняют ряд функций,
главные из которых: 1) участие в поглощении света в качестве дополнительных
пигментов; 2) защита молекул хлорофиллов от необратимого фотоокисления.
Возможно, каротиноиды принимают участие в кислородном обмене при фотосинтезе.

3.
Световая и темновая фазы фотосинтеза

Фотосинтез
начинается с улавливания и поглощения света пигментом хлорофиллом. Когда свет
падает на молекулу хлорофилла, то один из электронов оказывается в возбужденном
состоянии. Другими словами, он переходит на более высокий энергетический
уровень. Возбужденные электроны передаются затем другими молекулами, в
результате чего повышается свободная энергия молекулы-акцептора, а «брешь»,
образованная в молекуле хлорофилла, заполняется электроном, поступающим из
воды. Последняя при этом окисляется, в результате чего выделяется молекулярный
кислород.

В
переходе электронов на более высокий энергетический уровень участвуют две
содержащиеся в хлоропластах фотосистемы, образованные хлорофиллом и особыми
белками — фотосистема 1, активируемая далеким красным светом (700 нм) и
фотосистема 2, активируемая красным светом с более высокой энергией (650 нм),
т. е. этот переход происходит в два этапа при использовании света. Реакции,
протекающие на этих этапах, получили название световых. Обе фотосистемы
связаны между собой системами переноса электронов.

На
уровне фотосистемы 1 молекулы хлорофилла передают свои электроны, богатые
энергией, через ферредоксин к никотин-амидаденин-динуклеотидфосфату (НАДФ),
который в результате этого восстанавливается в НАДФЧН и в восстановленной форме
уже сам способен самостоятельно поставлять электроны, необходимые для образования
глюкозы путем восстановления атмосферной СО₂. После перехода
электронов в НАДФЧН из молекулы хлорофилла в последних остаются своеобразные
«бреши».

На
уровне фотосистемы 2 богатые энергией возбужденные электроны хлорофилла
передаются системе переноса электронов, а образовавшиеся «бреши» после
«ушедших» электронов замещаются бедными энергией электронами, которые поступают
от воды, окисляющейся с образованием молекулярного кислорода. Пройдя через ряд
соединений, составляющих цепь переноса электронов, электроны из фотосистемы 2,
богатые энергией, в конечном счете замещают утрачены электроны в хлорофилле из
фотосистемы 1.

В
цепи переноса электронов осуществляется несколько окислительно-восстановительных
реакций, в каждой из которых электроны переходят на более  низкий энергетический
уровень.

Часть
энергии, теряемой при переходе через цепь переноса электронов, идет на
обеспечение синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Считают, что синтез
молекул АТФ связан также с фотосистемой 1, в которой имеется циклический поток
электронов, заключающийся в том, что электроны, захваченные акцептором,
возвращаются хлорофиллу через цитохром В. При этом энергия, высвобождающаяся в
реакциях систем переноса электронов, в которых электроны двигаются «вниз»,
запасаются путем синтеза молекул.

В
результате световых реакций фотосинтеза образуются высокоэнергетические связи
АТФ и восстановленный НАДФ, которые снабжают энергией последующие, так
называемые темновые реакции, протекающие без света и приводящие к
восстановлению атмосферной СО₂ до сахаров. Источником
энергии здесь является АТФ, а восстанавливающим агентом — НАДФ×Н, синтезируемые в
реакциях фотосинтети-ческого переноса электронов. Процесс восстановления СО₂
начинается с катализируемой рибулезобисфаткарбоксилазой фиксации молекул этого
соединения молекулами акцептора и сопровождается вступлением атомов углерода в
ряд последовательных реакций, что приводит к образованию на каждые шесть
фиксированных молекул СО₂ одной молекулы глюкозы, причем связывание
одной молекулы СО₂ обеспечивается затратой трех молекул АТФ и
восстновленным НАДФ, образованными в световых реакциях.

Таким
образом, химическая энергия, генерированная световыми реакциями,
стабилизируется в молекулах глюкозы в процессе темновых реакций. В конечном
итоге из глюкозы образуется крахмал, который является ее высокомолекулярным
полимером. В крахмале оказываются запасенными по существу, как атомы углерода,
так и энергия. Полимеризуясь, глюкоза также образует целлюлозу.

4.
Экология фотосинтеза

Под экологией фотосинтеза понимают
зависимость продуктивности фотосинтеза от факторов внешней среды: интенсивности
и качества света, концентрации СО₂.

Интенсивность и спектральный состав света

В среднем листья поглощают 80—85 %
энергии фотосинтетически активных лучей солнечного спектра (400—700 нм) и 25 %
энергии инфракрасных лучей, что составляет около 55 % от энергии общей радиации.
На фотосинтез расходуется 1,5—2 % поглощенной энергии (фотосинтетически
активная радиация — ФАР). У многих светолюбивых растений максимальная (100 %)
интенсивность фотосинтеза наблюдается при освещенности, достигающей половины от
полной солнечной, которая, является насыщающей. Дальнейшее возрастание
освещенности не увеличивает фотосинтез и затем снижает его. Даже
кратковременное изменение условия освещенности влияет на интенсивность
фотосинтеза. Это важное адаптационное свойство позволяет растениям в
фитоценозах полнее использовать свет. Фотосинтетический аппарат «настраивается»
на периодические сдвиги освещенности при ветре, на частоту мелькания бликов в
доли секунды.

Помимо интенсивности для процесса
фотосинтеза важен и качественный состав света. Скорость фотосинтеза в разных
участках спектра, выровненных по количеству энергии, не одна и та же. Наиболее
высока интенсивность фотосинтеза в красных лучах.

Концентрация диоксида углерода

СО₂ является
основным субстратом фотосинтеза; его содержание определяет интенсивность
процесса. Концентрация СО₂ в атмосфере составляет 0,03 %. В слое
воздуха высотой 100 м над гектаром пашни содержится 550
кг СО₂. Из этого количества за сутки растения поглощают 120
кг СО₂. При концентрации 0,03 % интенсивность фотосинтеза
составляет лишь 50 % от максимальной, которая достигается при 0,3 % СО₂.
Это свидетельствует о том, что в эволюции процесс фотосинтеза формировался при
большей концентрации СО₂ в атмосфере.

Фотосинтез

Фотосинтез — процесс синтеза органических веществ (сахаров) из неорганических веществ (воды и углекислого газа) под действием энергии солнечного света (рис. 1).

Таким образом, фотосинтез является частью пластического обмена растительного организма.

Рис. . Схема фотосинтеза

В процессе фотосинтеза  участвуют особые вещества — фотосинтетические пигменты — улавливающие солнечный свет и трансформирующие энергию солнечного света в энергию химических связей. У зеленых растений основной фотосинтетический пигмент — хлорофилл. Хлорофилл содержится в хлоропластах, в мембранных пузырьках (тилакоидах), собранных в стопки (граны)

Фотосинтез включает 2 фазы .

СВЕТОВАЯ ФАЗА ФОТОСИНТЕЗА

Где: на мембранах тилакоидов хлоропластов.

Условие: необходим солнечный свет.

Процесс: под действием энергии солнечного света происходит распад молекул воды (фотолиз) с последующим образованием свободного кислорода (вылетающего в атмосферу) и богатых энергией молекулы АТФ.

ТЕМНОВАЯ ФАЗА ФОТОСИНТЕЗА

Где: в строме хлоропластов.
Условие: может происходить без солнечного света; необходима энергия АТФ, запасенная в световую фазу.

Процесс: синтез органических веществ (глюкозы) из неорганических веществ (углекислого газа и воды), поступающих из окружающей среды, с использованием энергии АТФ (из световой фазы).

ЗНАЧЕНИЕ ФОТОСИНТЕЗА

• Синтез органических веществ для организма растения и всех гетеротрофных организмов планеты.
• Выделение кислорода как побочного продукта световой фазы фотосинтеза. 

Дыхание

Дыхание — процесс поглощения кислорода и выделения углекислого газа.

Процесс дыхания связан с непрерывным потреблением кислорода днем и ночью. 
Полученный в процессе дыхания кислород расходуется организмом на окисление органических соединений с получением энергии для жизнедеятельности.
Таким образом, процесс дыхания — это часть энергетического обмена растительного организма.

Интенсивность дыхания обусловлена потребностями роста и развития растений. Особенно интенсивно идет процесс дыхания в молодых тканях и органах растения. Много кислорода требуется для деления и роста клеток, образования цветков и плодов. По окончании роста, с пожелтением листьев и особенно в зимнее время интенсивность дыхания заметно снижается, но не прекращается.

Процесс дыхания противоположен процессу фотосинтеза (рис. 4).

Фотосинтез	Дыхание
Поглощение углекислого газа	Поглощение кислорода
Выделение кислорода	Выделение углекислого газа
Образование сложных органических веществ (преимущественно сахаров) из простых неорганических	Разложение сложных органических веществ (преимущественно сахаров) на простые неорганические
Поглощение из окружающей среды и расходование воды	Образование и выделение в окружающую среду воды
Поглощение с помощью хлорофилла солнечной энергии и накопление ее в органических веществах	Высвобождение энергии
Происходит только на свету	Происходит непрерывно, на свету и в темноте
Протекает в хлоропластах	Протекает в цитоплазме и митохондриях
Происходит только в зеленых частях растения, преимущественно в листе	Происходит в клетках всех органов растения

Тест.  Фотосинтез

1.   Фотосинтез происходит в клетках

       а) любого организма                                     в) простейших животных

       б) содержащих хлоропласты                        г) плесневых грибов

 2.   В результате какого процесса при фотосинтезе образуется кислород?

   а)  фотолиза воды                                                 в) восстановления углекислого газа до глюкозы

   б)  разложения углекислого газа                         г) синтеза АТФ

3.   Под воздействием энергии солнечного  света электрон поднимается на более высокий энергетический уровень в молекуле

А) белка                       Б) глюкозы                       В) хлорофилла                   Г) углекислого газа 

4.   Все реакции синтеза органических веществ в клетке происходят с

А) освобождением энергии                                     В) расщеплением веществ

Б) использованием энергии                                     Г) образованием молекул АТФ

5.    Установите соответствие между строением, функцией органоидов и их видом

     СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ                                                                     ОРГАНОИДЫ

А) содержат граны

Б) содержат кристы                                                                                     1. Митохондрии

В) обеспечивают образование кислорода                                                 2. Хлоропласты

Г) обеспечивают окисление органических веществ

Д) содержат зелёный пигмент

6.   Установите соответствие между особенностью процесса у растений и его видом.

ОСОБЕННОСТЬ ПРОЦЕССА                                                          ВИД ПРОЦЕССА

1) происходит в хлоропластах                                                         А.  ФОТОСИНТЕЗ

2) состоит из световой и темновой фаз                                           Б.  ГЛИКОЛИЗ

3) образуется пировиноградная кислота

4) происходит в цитоплазме

5) конечный продукт – глюкоза

6) расщепление глюкозы

7.   Установите последовательность этапов световой фазы фотосинтеза

1. Поглощение хлорофиллом квантов света

2. Синтез  молекул  АТФ за счёт освобождаемой энергии

3. Участие электрона в окислительно-восстановительных реакциях и освобождение энергии

4. Возбуждение молекулы хлорофилла под влиянием энергии солнечного света

8.   Установите соответствие между характеристикой фотосинтеза и его фазой

     ХАРАКТЕРИСТИКА                                                                                ФАЗА ФОТОСИНТЕЗА

А)  фотолиз воды                                                                                                1. Световая

Б) фиксация углекислого газа                                                                           2. Темновая

В) расщепление молекул АТФ

Г) возбуждение хлорофилла квантами света

Д)  синтез глюкозы

9.   К автотрофным организмам относят

1.    железобактерии                                                                             4.   дрожжи

2.    хлореллу                                                                                         5.   пеницилл

3.   серобактерии                                                                                  6.   мукор

Чем растения отличаются от других царств живой природы? Несмотря на то, что отличий масса, скорее всего, в первую очередь вы подумаете о фотосинтезе. Так что именно о фотосинтезе на ЕГЭ и ОГЭ мы сейчас и поговорим.

Что такое фотосинтез?

Почему растения фотосинтезируют? Стандартный ответ: «Потому что они зеленые». 

На самом деле, растения получили способность к фотосинтезу благодаря наличию симбиотических органоидов — хлоропластов,  в которых и происходят темновая и световая фазы, а в хлоропластах содержится пигмент хлорофилл, именно он окрашивает растения в зеленый цвет. 

Фотосинтез — одна из реакций обмена веществ. Как любая реакция метаболизма, он идет поэтапно (световая и темновая фазы) и с участием ферментов. Фотосинтез относится к реакциям пластического обмена. Особенность пластического обмена в том, что органические вещества синтезируются, а энергия на это тратится. 

Фотосинтез — это синтез органических веществ из неорганических веществ с использованием энергии солнечного света.

Далее разберем подробно обе фазы и процессы, происходящие в них.

Как идет процесс фотосинтеза?

Световая фаза фотосинтеза для ЕГЭ и ОГЭ

Световая фаза проходит в хлоропластах на тилакоидах. Там хранится пигмент хлорофилл, с которого все начинается — именно из-за него растения имеют зеленую окраску. Квант света попадает на тилакоид и возбуждает молекулу хлорофилла. В этот момент инициируется процесс фотосинтеза. При этом выделяется энергия АТФ. 

Самые внимательные из вас могут заметить некоторую несостыковку. Почему выделяется? Это же реакция пластического обмена, а не энергетического, значит, энергия должна тратиться. Да, действительно при фотосинтезе выделяется АТФ, но она не накапливается и не тратится на другие реакции, как при энергетическом обмене, а вся уходит на фотосинтез. Поэтому это реакция анаболизма, хоть и с выделением АТФ. 

Параллельно идет фотолиз воды. 

Название процесса говорит само за себя: «фото» — свет, «лизис» — расщепление. Буквально переводится как расщепление воды на свету. Легко запомнить, что проходит фотолиз в световую фазу. 

На что же может распасться молекула воды? На свободный кислород и водород. У каждого из этих элементов свой путь. 

Кислород — это сильный окислитель, буквально смерть для любой неспециализированной клетки, поэтому растения быстро от него избавляются, выделяя в атмосферу как побочный продукт. А уже из атмосферы аэробные организмы (в том числе, растения) поглощают его и используют для дыхания. Так что нам повезло! Не было бы процесса фотосинтеза, не было бы кислорода и что было бы с жизнью на нашей планете представить сложно. 

Но помимо кислорода, выделяется еще водород, если бы он был человеком, мы бы сказали, что он растерян и нуждается в помощи. На помощь к нему приходит молекула-переносчик НАДФ (полное ее название —никотинамиддинуклеотидфосфат, но мы ласково зовем ее НАДФ). Она использует водород для восстановления до НАДФ*Н₂. Задача этой молекулы переносить водород из тилакоидов в строму, поэтому мы называем ее молекула-переносчик. На этом световая фаза заканчивается.

Резюмируем

• Квант света возбуждает молекулу хлорофилла
• Инициируется процесс фотосинтеза
• Выделяется АТФ
• Фотолиз воды
• Кислород выходит в окружающую среду как побочный продукт фотосинтеза
• Водород соединяется с молекулой переносчиком НАДФ*

Темновая фаза фотосинтеза для ЕГЭ и ОГЭ

В некоторых источниках эту фазу еще называют светонезависимой фазой. Действительно, название «темновая стадия» часто вызывает затруднения. Кажется, что световая проходит на свету, а темновая тогда в темноте, но это не так. Для темновой фазы действительно не нужен свет, соответственно, у нее есть варианты — может  проходить и на свету, и в темноте. Она идет  практически параллельно со световой и в ней используются продукты, образовавшиеся в световой фазе. 

Для того чтобы фазы друг другу не мешали, они проходят в разных частях хлоропласта. Световая, как мы уже выяснили, идет на тилакоидах, а темновая в строме — это внутренняя полужидкая среда хлоропласта.

В строму приходят АТФ, молекула-переносчик приносит водород. Но из водорода и энергии ничего органического создать не получится, нужны еще элементы. Растения нашли гениальный выход, они используют вещество, которого достаточно в атмосфере, следовательно, за него нет конкуренции. Это вещество — углекислый газ. 

Дальше начинается очень сложный циклический процесс, который называется цикл Кальвина. Мы не будем слишком подробно его рассматривать, это не пригодится для государственных экзаменов, но именно в нем активно работают ферменты, и на него тратится энергия АТФ, полученная в световой фазе. В результате цикла Кальвина образуется шестиуглеродный сахар-глюкоза. Далее эта глюкоза может быть переработана в крахмал и откладываться растением как запасной углевод. 

Резюмируем

• Фиксация СО₂
• Цикл Кальвина
• Синтез глюкозы
• Образование крахмала

Значение фотосинтеза

На Земле, пожалуй, практически не существует процессов, которые повлияли на эволюцию планеты так же сильно, как фотосинтез. Давайте разберем основные значения фотосинтеза:

• Сформировалась атмосфера с высоким содержанием кислорода, пригодная для дыхания. Аэробные организмы, включая человека, проводят энергетический обмен с использованием кислорода и получают энергию для жизнедеятельности.
• Возникновение озонового слоя. Вследствие фотосинтеза в атмосфере накопился кислород, что привело к появлению озонового экрана. Жизнь, которая до этого вынуждена была развиваться под водой, боясь ультрафиолета, смогла выйти на сушу и освоить ее.
• Синтез органических веществ. Растения — автотрофные организмы, сами производят органические вещества, которые затем используют гетеротрофы. Вещества, которые образуют растения в процессе фотосинтеза, являются первичным источником веществ и энергии практически для всех живых организмов.

Примеры заданий на фотосинтез в ЕГЭ и ОГЭ по биологии

 Вопросы по фотосинтезу встречаются как в ЕГЭ, так и в ОГЭ. Причем, если для 9 класса достаточно знать что это такое и основные этапы, то для ЕГЭ необходимо понимание последовательности процессов. Кстати, актуальна эта тема для решения новых заданий по экспериментам (2 и 22 линии в ЕГЭ 2022).  

Задание на фотосинтез в ОГЭ по биологии

Решение. Типичный вопрос для первой части ОГЭ из открытого банка ФИПИ. Какие из этих процессов происходят во время фотосинтеза? Возбуждение молекул хлорофилла квантом света, расщепление (фотолиз) воды и образование глюкозы. 

Во время фотосинтеза, наоборот, выделяется кислород, как побочный продукт, и поглощается углекислый газ. А синтез белка вообще проходит на рибосомах.

Ответ. 123

Задание на фотосинтез в ЕГЭ по биологии

Решение. Это задание из открытого варианта 2021 года (в 2021 эти варианты заменяли варианты досрочного ЕГЭ). Необходимо соотнести процессы и фазы. В световой фазе происходит возбуждение молекулы хлорофилла, фотолиз воды и образование энергии. В темновую фазу фиксируется углекислый газ и восстановление углерода водородом для синтеза глюкозы.

Ответ. 12212

Фотосинтез

Автор статьи — Л.В. Окольнова.

Определение довольно простое, уравнение тоже суммарное. оно не описывает сам процесс — сложный и многоступенчатый.

В этой статье мы не будем разбирать все стадии, мы разберем только две основные фазы фотосинтеза — световую и темновую, а также основные процессы, которые происходят в это время в организме растения.

Световая фаза фотосинтеза.

Днем растения работают как солнечные батарейки — аккумулируют энергию света солнца:
● на мембранах тилакойдов хлоропластов молекулы хлорофилла поглощают (аккумулируют) свет,

● происходит синтез АТФ,

● образуется НАДФ — кофермент.

Кофермент (коэнзим) — это биологический катализатор, но ферментом его назвать нельзя, т.к. у него не белковая природа, который ускоряет и направляет протекание окислительно-восстановительных процессов. Он понадобится на следующей — темновой фазе процесса .

●происходит расщепление (фотолиз) воды: 2H20 = 4H+ + 4e- + O2­.

растение выделяет кислород .

Темновая фаза фотосинтеза.

Это уже фаза синтеза. Энергия, полученная в ходе световой фазы, идет на восстановление CO2 до молекулы глюкозы.

Этот процесс происходит уже в строме.

Общая схема фотосинтеза: