Фотосинтез видео егэ по биологии

Фотосинтез и хемосинтез (Пластический обмен)

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

Значение света для образования крахмала в хлоропластах

Горшечные растения, такие как пеларгония, гортензия или примула ставят в темное место, куда не проникают лучи света. Там они не способны производить крахмал. Как это проверить? Капнуть на лист йод — отсутствие синей окраски означает отсутствие крахмала. Причем если оставить растение на свету, но один лист закрыть плотной бумагой или фольгой, — результат тот же, опыт с йодом покажет отсутствие в нем крахмала, который в остальных листьях, освещенных, активно вырабатывается.

Значение углекислого газа для образования крахмала в хлоропластах

Ставим одно растение под стеклянную колбу и рядом с ним — едкую щелочь, поглощающую углекислый газ. Рядом со вторым растением ставим стакан с содой и водой, или кусочками мрамора, смоченными соляной кислотой — всё это выделяет углекислый газ. Оба экспериментальных растения должны быть освещены одинаково. Крахмал образовался у второго растения — там, где был источник углекислого газа.

Выделение растением кислорода в ходе фотосинтеза

Элодею помещаем в колбу с водой, накрываем воронкой, сверху укрепляем пробирку. Вдуваем в воду углекислый газ или добавим немного питьевой соды. В опыте участвуют две колбы с элодеей, одну ставим на свет, другую в темноту. На свету элодея вырабатывает кислород, который вытесняет воду из пробирки. Вытащили пробирку, внесли в нее зажженную спичку — горит, значит, там кислород! спичка. Вывод: кислород  выделяется только при наличии воды, углекислого газа и света.

Второй сосуд с элодеей (который стоял в темноте) оказался без кислорода — в пробирке не горит спичка. Вывод: кислород  выделяется только при наличии воды, углекислого газа и света.

Хочешь сдать экзамен на отлично? Жми сюда — репетитор: ЕГЭ биология

Автотрофы
могут сами синтезировать необходимые им органические вещества, получая из
окружающей среды углерод в виде углекислого газа, воду и минеральные вещества.

Все
автотрофы делятся на фотосинтезирующие и хемосинтезирующие.

У
фотосинтезирующих автотрофов источником энергии служит солнечный свет.
Хемосинтезирующие автотрофы получают энергию при окислении неорганических
соединений.

Фотосинтез —
это процесс преобразования энергии света в энергию химических связей
органических веществ на свету фотоавтотрофами при участии фотосинтетических
пигментов.

Фотосинтезирующими
органоидами зелёных растений являются хлоропласты. Структурной и функциональной
единицей хлоропластов являются тилакоиды — плоские мембранные
мешочки, уложенные в стопки (граны).

Внутреннее
пространство тилакоида называется люменом. Пространство
между оболочкой хлоропласта и тилакоидами называется стромой.

Мембрана
тилакоида собственно и является тем местом, где протекают светозависимые
реакции фотосинтеза при участии хлорофилла.

Аналогично
митохондриальной электрон-транспортной цепи, цепь переноса
электронов фотосинтеза состоит из многих белковых комплексов и молекул
переносчиков. 

В
цепи переносчиков выделяют следующие комплексы: фотосистему 2 (два), цитохром Б
шесть ЭФ-комплекс, фотосистему 1, фермент редоксин НАДФ редуктазу
и АТФ-синтазу.

Фотосинтез
происходит в две фазы — световую и темновую.

В
световую фазу протекают реакции, которым необходим солнечный свет, в частности
фотоны света. Поэтому эти реакции ещё называют светозависимыми реакциями
фотосинтеза.

В
темновую фазу фотоны светы не нужны. Однако эти реакции протекают как в
светлое, так и в тёмное время суток.

Итак,
процесс фотосинтеза начинается с того, что квант света ударяет молекулу
хлорофилла (аII), которая находится в фотосистеме 2. 

Существует
несколько видов молекул хлорофилла, которые различаются по длине волны
улавливаемых квантов.

Основными
«ловцами» световых частиц являются хлорофилл а1 (а-один) (с длиной волны
улавливаемых квантов 700 нм), который находится в фотоситеме 1, и хлорофилл а
II (с длиной волны улавливаемых квантов 680 нм), который находится в
фотосистеме 2.

Итак,
после удара квантом света молекула хлорофилла приходит в возбуждённое
состояние.

Что
значит возбуждённое состояние? Согласно квантовой теории
Эйнштейна свет состоит из мельчайших частиц, несущих порции энергии и
обладающих импульсом — фотонов. Если фотон, с определённым количеством энергии
столкнётся с электроном, то электрон может перейти на новый энергетический
уровень. В результате чего молекула и оказывается в возбуждённом состоянии.

Эта
энергия быстро мигрирует по светособирающей молекуле хлорофилла к реакционному
центру фотосистемы.

Реакционный
центр — это комплекс белков, взаимодействие которых обеспечивает реакцию
превращения энергии света в химическую при фотосинтезе.

После
поглощения энергии, хлорофиллы испускают пару электронов, которые передаются на
переносчик.

Теперь
в молекуле хлорофилла недостает 2 электронов. Эти 2 электрона хлорофилл
отбирает у молекулы воды, которая находится во (внутритилакоидном)
пространстве.

При
этом происходит фотолиз (расщепление) молекул воды.

То
есть молекула воды распадается отдаёт 2 электрона молекуле хлорофилла.

Благодаря
фотонам света молекула воды расщепляется на два иона (протон водорода и
гидроксид-ион).

Ионы
гидроксида отдают свои электроны, превращаясь в реакционноспособные радикалы о-аш.

Несколько
радикалов объединяются, образуя воду и свободный кислород:

Кислород
при этом удаляется во внешнюю среду. Таким образом, кислород, которым мы дышим,
― это продукт окисления воды. 

О
том, что растения в процессе своей жизнедеятельности выделяют кислород, люди
узнали уже давно.

В
1772 году химик Джозеф Пристли провёл цикл экспериментов с газами.

В
одном из своих экспериментов Пристли зажёг свечу и поместил её под перевёрнутый
сосуд. Через некоторое время свеча погасла, так как под сосудом закончился
кислород.

Далее
он провёл аналогичный эксперимент с мышкой. Мышь умерла вскоре после того, как
погасла свеча.

Пристли
провёл ещё один опыт. Он поместил под перевёрнутый сосуд зелёное растение с
мышью, предоставив им доступ к свету. Свеча горела долгое время. А мышь
оставалась жива.

Значит,
подумал Пристли, благодаря растению под герметично перевёрнутым сосудом
остаётся кислород.

Таким
образом, наблюдения Пристли были одной из первых демонстраций деятельности
фотохимических реакционных центров.

Результаты
опытов не только определили характерные особенности жизнедеятельности растений,
но и продемонстрировали тесную взаимосвязь между растениями и животными.

Вернёмся
к фотолизу воды.

Суммарное
уравнение фотолиза воды выглядит следующим образом.

Из
него видно, что при фотолизе воды образуются протоны водорода, электроны и
свободный кислород.

2
электрона вернулись в молекулу хлорофилла.

Протоны
водорода накапливаются внутри тилакоида.

В
результате мембрана тилакоида с одной стороны за счёт протонов водорода
заряжается положительно, с другой за счёт электронов — отрицательно.

Благодаря
разности потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны протоны
проталкиваются через каналы АТФ-синтетазы и происходит фосфорилирование АДФ до
АТФ.

За
одно и тоже время в хлоропластах образуется в 30 раз больше АТФ, чем в
митохондриях.

А
2 протона водорода идут на восстановление специфического переносчика НАДФ+ (с
плюсом) до НАДФ·Н (НАДФ аш).

Суммарное
уравнение реакций световой фазы выглядит следующим образом.

Таким
образом, в световую фазу фотоны света вместе с водой используются для
образования АТФ и восстановления НАДФ+ до НАДФН.

АТФ
и НАДФН (надф аш) транспортируются в строму хлоропласта и участвуют в
процессах темновой фазы.

Темновые
реакции фотосинтеза происходят не только на свету, но и в темноте.

В
темновой фазе образуются глюкоза и мономеры сложных органических соединений
(аминокислоты, нуклеотиды, глицерин и жирные кислоты).

Источником
углерода является углекислый газ, который поступает в растение через устьица.

Так,
углекислый газ, который содержится в воздухе, захватывается специальным
веществом ― пятиуглеродным сахаром (рибулозобифосфатом).

Фермент
катализирует эту реакцию. В результате образуется неустойчивое шестиуглеродное
соединение, которое сразу же распадается на две молекулы фосфоглицериновой
кислоты (ФГК).

Затем
происходит цикл реакций, который называется циклом Кальвина.
Через ряд промежуточных продуктов фосфоглицериновая кислота
преобразуется в глюкозу.

В
этих реакциях используются энергии АТФ и НАДФ·Н. Итак, в световую фазу
фотосинтеза происходит фотолиз воды, высвобождение кислорода, синтез АТФ и
образование НАДФ·Н. В темновую фазу образуется глюкоза и крахмал ―
главные источники энергии на планете Земля, аминокислоты, нуклеотиды, глицерин
и жирные кислоты. 

Таким
образом, в результате фотосинтеза растения накапливают органические вещества и
обеспечивают постоянство уровня углекислого газа и кислорода в атмосфере.

В
процессе фотосинтеза одно и тоже крупное растение производит совсем не так уж
много углеводов. Однако если посчитать, сколько энергии солнечного света
улавливают и запасают все зелёные растения на Земле за год, то окажется, что
для получения того же количества энергии было бы необходимо 200 000
гидроэлектростанций.

В
верхних слоях воздушной оболочки Земли (на высоте 15‒20
км) из кислорода образуется озон. Озоновый слой защищает все живые организмы от
опасных для жизни ультрафиолетовых лучей.

Таким
образом при помощи солнечного света автотрофные организмы, которые называют
фототрофами, получают энергию.

А
некоторые автотрофные организмы — хемотрофы, как мы уже говорили выше, получают
энергию за счёт энергии окисления неорганических веществ.  Такой процесс
называется — хемосинтезом. 

Хемосинтез
—
это способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза органических
веществ служат реакции окисления неорганических соединений.

Подобный
вариант получения энергии используется только бактериями.

К
хемотрофам относятся серобактерии, окисляющие сероводород.

Нитрифицирующие
бактерии, превращающие аммиак в нитриты, а затем в нитраты. Железобактерии,
окисляющие железо. Водородные бактерии, окисляющие водород.

Необходимо
отметить, что выделяющаяся в реакциях окисления неорганических соединений
энергия не может быть непосредственно использована бактериями в процессах ассимиляции
(то есть процессах синтеза). Сначала эта энергия переводится в энергию
макроэргических связей АТФ и только затем тратится на синтез органических
соединений.

Хемосинтезирующие
организмы (например, серобактерии) могут жить в океанах на огромной глубине, в
тех местах, где из разломов земной коры выделяется сероводород.

Хемосинтетики
— единственные организмы на Земле, которые не зависят от энергии солнечного
света. Роль хемосинтетиков для всех живых существ очень велика, так как они
являются непременным звеном природного круговорота важных элементов: серы,
азота, железа.

В природе под воздействием солнечного света протекает жизненно важный процесс, без которого не может обойтись ни одно живое существо на планете Земля. В результате реакции в воздух выделяется кислород, которым мы дышим. Этот процесс получила название фотосинтеза. Что такое фотосинтез с научной точки зрения, и что происходит в хлоропластах клеток растений рассмотрим ниже.

Основа жизни на земле

Фотосинтез в биологии – это преобразование органических веществ и кислорода из неорганических соединений под воздействием солнечной энергии. Он характерен для всех фотоавтотрофов, которые способны сами вырабатывать органические соединения.

К таким организмам относятся растения, зеленые, пурпурные бактерии, цианобактерии (сине-зеленые водоросли).

Растения фотоавтотрофы впитывают из грунта воду, а из воздуха – углекислый газ. Под воздействием энергии Солнца образуется глюкоза, которая впоследствии превращается на полисахарид – крахмал, необходимый растительным организмам для питания, образования энергии. В окружающую среду выделяется кислород – важное вещество, используемое всеми живыми организмами для дыхания.

Как происходит фотосинтез. Химическую реакцию можно изобразить с помощью следующего уравнения:

6СО2 + 6Н2О + Е = С6Н12О6 + 6О2

Фотосинтетические реакции происходят в растениях на клеточном уровне, а именно – в хлоропластах, содержащих основной пигмент хлорофилл. Это соединение не только придает растениям зеленую окраску, но и принимает активное участие в самом процессе.

Чтобы лучше разобраться в процессе, нужно ознакомиться со строением зеленых органелл хлоропластов.

Это интересно! Каково значение гомеостаза и что это такое

Строение хлоропластов

Хлоропласты – это органоиды клетки, которые содержатся только в организмах растений, цианобактерий. Каждый хлоропласт покрыт двойной мембраной: внешней и внутренней. Внутреннюю часть хлоропласта заполняет строма – основное вещество, по консистенции напоминающее цитоплазму клетки.

Строение хролопласта

Строма хлоропласта состоит из:

• тилакоидов – структур, напоминающих плоские мешочки, содержащие пигмент хлорофилл,
• гран – группы тилакоидов,
• ламел – канальцев, которые соединяют между собой граны тилакоидов.

Каждая грана имеет вид стопки с монетами, где каждая монетка – это тилакоид, а ламела – полка, на которой выложены граны. Помимо этого хлоропласты имеют собственную генетическую информацию, представленную двуспиральными нитями ДНК, а также рибосомы, которые принимают участие при синтезе белка, капли масла, зерна крахмала.

Это интересно! Биология: какие органические вещества и соединения входят в состав клетки

Полезное видео: фотосинтез

Основные фазы

Фотосинтез имеет две чередующиеся фазы: световую и темновую. Каждая имеет свои особенности протекания и продукты, образующиеся при определенных реакциях. Две фотосистемы, образованные из вспомогательных светособирающих пигментов хлорофилла и каротиноида, передают энергию главному пигменту. В результате происходит преобразование световой энергии в химическую – АТФ (аденозинтрифосфорную кислоту). Что же происходит в процессах фотосинтеза.

Световая

Световая фаза происходит при попадании фотонов света на растение. В хлоропласте она протекает на мембранах тилакоидов.

Основные процессы:

1. Пигменты фотосистемы І начинают «впитывать» фотоны солнечной энергии, которые передаются на реакционный центр.
2. Под действием фотонов света происходит «возбуждение» электронов в молекуле пигмента (хлорофилла).
3. «Возбужденный» электрон с помощью транспортных белков переносится на наружную мембрану тилакоида.
4. Этот же электрон взаимодействует со сложным соединением НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), восстанавливая его до НАДФ*Н2 (это соединение участвует при темновой фазе).

Подобные процессы происходят и в фотосистеме ІІ. «Возбужденные» электроны покидают реакционный центр и переносятся на внешнюю мембрану тилакоидов, где связываются с акцептором электронов, возвращаются на фотосистему І и восстанавливают ее.

Световая фаза фотосинтеза

А как же восстанавливается фотосистема ІІ? Это происходит за счет фотолиза воды – реакции расщепления Н2О. Вначале молекула воды отдает электроны реакционному центру фотосистемы ІІ, благодаря чему происходит его восстановление. После этого происходит полное расщепление воды на водород и кислород. Последний через устьица эпидермиса листка проникает в окружающую среду.

Это интересно! Из чего состоит нуклеотид и что это такое

Изобразить фотолиз воды можно с помощью уравнения:

2Н2О = 4Н + 4е + О2

Помимо этого, при световой фазе происходит синтез молекул АТФ – химической энергии, которая идет на образование глюкозы. В оболочке тилакоидов содержится ферментативная система, принимающая участие в образовании АТФ. Этот процесс происходит в результате того, что ион водорода переносится через канал специального фермента из внутренней оболочки на внешнюю. После чего высвобождается энергия.

Важно знать! При световой фазе фотосинтеза образуется кислород, а также энергия АТФ, которая используется для синтеза моносахаридов в темновой фазе.

Темновая

Реакции темновой фазы протекают круглосуточно, даже без наличия солнечного света. Фотосинтетические реакции происходят в строме (внутренней среде) хлоропласта. Более детально данный предмет изучал Мелвин Кальвин, в честь которого реакции темновой фазы носят название цикл Кальвина, или С3 путь.

Этот цикл протекает в 3 этапа:

1. Карбоксилирование.
2. Восстановление.
3. Регенерация акцепторов.

При карбоксилировании вещество под названием рибулозобисфосфат соединяется с частичками углекислого газа. Для этого используется специальный фермент – карбоксилаза. Образуется неустойчивое шестиуглеродное соединение, которое практически сразу же расщепляется на 2 молекулы ФГК (фосфоглицериновой кислоты).

Для восстановления ФГК используется энергия АТФ и НАДФ*Н2, образованных при световой фазе. При последовательных реакциях образуется триуглеродный сахар с фосфатной группой.

Во время регенерации акцепторов часть молекул ФГК используется для восстановления молекул рибулозобисфосфата, который является акцептором СО2. Далее при последовательных реакциях образуется моносахарид – глюкоза. Для всех этих процессов используется энергия АТФ, образованная в световой фазе, а также НАДФ*Н2.

Это интересно! Как устроены органеллы: строение и функции органоидов растительной клетки и животной

Процессы преобразования 6 молекул углекислоты в 1 молекулу глюкозы требуют расщепления 18 молекул АТФ и 12 молекул НАДФ*Н2. Изобразить эти процессы можно с помощью следующего уравнения:

6СО2 + 24Н = С6Н12О6 + 6Н2О

Впоследствии из образованной глюкозы синтезируются более сложные углеводы – полисахариды: крахмал, целлюлоза.

Обратите внимание! При фотосинтезе темновой фазы образуется глюкоза – органическое вещество, необходимое для питания растения, образования энергии.

Нижеприведенная таблица фотосинтеза, поможет лучше усвоить основную суть этого процесса.

Сравнительная таблица фаз фотосинтеза

Особенности протекания	Световая фаза	Темновая фаза
Время протекание	Днем, при наличии света	Круглосуточно
Место локализации	Мембрана тилакоидов	Строма – внутренняя среда хлоропласта
Реакции фотосинтеза	Фотолиз воды. Восстановление НАДФ до НАДФ*Н2.	Карбоксилирование рибулозобисфосфата. Восстановление. Регенерация.
Продукты фотосинтеза	О2 (кислород), АТФ (энергия), НАДФ*Н2	Моносахарид – глюкоза

Хотя цикл Кальвина является наиболее характерным для темновой фазы фотосинтеза, однако для некоторых тропических растений характерен цикл Хэтча-Слэка (С4-путь), который имеет свои особенности протекания. Во время карбоксилирования в цикле Хэтча-Слэка образуется не фосфоглицериновая кислота, а другие, такие как: щавелевоуксусная, яблочная, аспарагиновая. Также при этих реакциях углекислый газ накапливается в клетках растений, а не выводится при газообмене, как у большинства.

Впоследствии этот газ участвует при фотосинтетических реакциях и образовании глюкозы. Индивидуалки в Хабаровске habsex.net Интим досуг Также стоит отметить, что С4-путь фотосинтеза требует больших затрат энергии, чем цикл Кальвина. Основные реакции, продукты образования в цикле Хэтча-Слэка не отличаются от цикла Кальвина.

Благодаря реакциям цикла Хэтча-Слэка у растений практически не происходит фотодыхание, так как устьица эпидермиса находятся в закрытом состоянии. Это позволяет им приспособится к специфическим условиям обитания:

• сильной жаре,
• сухому климату,
• повышенной засоленности мест обитания,
• недостатку СО2.

Это интересно! Этапы диссимиляции: что это такое в биологии

Сравнение световой и темновой фаз

Значение в природе

Благодаря фотосинтезу происходит образование кислорода – жизненно важного вещества для процессов дыхания и накопления внутри клеток энергии, которая дает возможность живым организмам расти, развиваться, размножаться, принимает непосредственное участие в работе всех физиологических систем организма человека, животных.

Важно! Из кислорода в атмосфере образуется озоновый шар, который защищает все организмы от пагубного влияния опасного ультрафиолетового облучения.

Полезное видео: подготовка к ЕГЭ по Биологии фотосинтез

Вывод

Благодаря умению синтезировать кислород и энергию растения формируют первое звено во всех пищевых цепях, являясь продуцентами. Потребляя зеленые растения, все гетеротрофы (животные, люди) вместе с пищей получают жизненно важные ресурсы. Благодаря процессу, протекающему в зеленых растениях и цианобактериях, поддерживается постоянный газовый состав атмосферы и жизнь на земле.