Фотосинтез
Фотосинтез — это синтез органических соединений в листьях зеленых растений из воды и углекислого газа атмосферы с использованием солнечной (световой) энергии, адсорбируемой хлорофиллом в хлоропластах.
Благодаря фотосинтезу происходит улавливание энергии видимого света и превращение ее в химическую энергию, сохраняемую (запасаемую) в органических веществах, образуемых при фотосинтезе.
Датой открытия процесса фотосинтеза можно считать 1771 г. Английский ученый Дж. Пристли обратил внимание на изменение состава воздуха вследствие жизнедеятельности животных. В присутствии зеленых растений воздух вновь становился пригодным как для дыхания, так и для горения. В дальнейшем работами ряда ученых (Я. Ингенгауз, Ж. Сенебье, Т. Соссюр, Ж.Б. Буссенго) было установлено, что зеленые растения из воздуха поглощают С02, из которого при участии воды на свету образуется органическое вещество. Именно этот процесс в 1877 г. немецкий ученый В. Пфеффер назвал фотосинтезом. Большое значение для раскрытия сущности фотосинтеза имел закон сохранения энергии, сформулированный Р. Майером. В 1845 г. Р. Майер выдвинул предположение, что энергия, используемая растениями, — это энергия Солнца, которую растения в процессе фотосинтеза превращают в химическую энергию. Это положение было развито и экспериментально подтверждено в исследованиях замечательного русского ученого К.А. Тимирязева.
Основная роль фотосинтезирующих организмов:
1) трансформация энергии солнечного света в энергию химических связей органических соединений;
2) насыщение атмосферы кислородом;
В результате фотосинтеза на Земле образуется 150 млрд. т. органического веществаи выделяется около 200 млрд. т свободногокислородав год. Он препятствует увеличению концентрацииCO2в атмосфере, предотвращая перегрев Земли (парниковый эффект).
Созданная фотосинтезом атмосфера защищает живое от губительного коротковолнового УФ-излучения (кислородно-озоновый экран атмосферы).
В урожай сельскохозяйственных растений переходит лишь 1-2% солнечной энергии, потери обусловлены неполным поглощением света. Поэтому имеется огромная перспектива повышения урожайности благодаря селекции сортов с высокой эффективностью фотосинтеза, созданию благоприятной для светопоглощения структуры посевов. В связи с этим особенно актуальными становятся разработка теоретических основ управления фотосинтезом
Значение фотосинтеза гигантское. Отметим лишь, что он поставляет топливо (энергию) и атмосферный кислород, необходимые для существования всего живого. Следовательно, роль фотосинтеза является планетарной.
Планетарность фотосинтеза определяется также тем, что благодаря круговороту кислорода и углерода (в основном) поддерживается современный состав атмосферы, что в свою очередь определяет дальнейшее поддержание жизни на Земле. Можно сказать далее, что энергия, которая запасается в продуктах фотосинтеза, есть по существу основной источник энергии, которым сейчас располагает человечество.
Суммарная реакция фотосинтеза
СО2 +Н2О = (СН2О) + О2.
Химию фотосинтеза описывают следующими уравнениями:
Фотосинтез – 2 группы реакций:
- световая стадия (зависят от освещенности)
- темновая стадия (зависит от температуры).
Обе группы реакций протекают одновременно Фотосинтез происходит в хлоропластах зеленых растений. Фотосинтез начинается с улавливания и поглощения света пигментом хлорофиллом, содержащимся в хлоропластах клеток зеленых растений. Этого оказывается достаточно, чтобы сместить спектр поглощения молекулы. 
Молекула хлорофилла поглощает фотоны в фиолетовой и синей, а затем в красной части спектра, и не взаимодействует с фотонами в зеленой и желтой части спектра. Поэтому хлорофилл и растения выглядят зелеными – они попросту никак не могут воспользоваться зелеными лучами и оставляют их гулять по белу свету (делая его тем самым зеленее). 
Пигменты фотосинтеза располагаются на внутренней стороне мембраны тилакоидов. Пигменты организованы в фотосистемы (антенные поля по улавливанию света) – содержащие по 250–400 молекул разных пигментов. Фотосистема состоит из:
- реакционного центра фотосистемы (молекула хлорофилла а),
- антенных молекул
Все пигменты в фотосистеме способны передавать друг другу энергию возбужденного состояния. Энергия фотона, поглощенная той или иной молекулой пигмента, переносится на соседнюю молекулу, пока не достигнет реакционного центра. Когда резонансная система реакционного центра переходит в возбужденное состояние, она передает два возбужденных электрона молекуле-акцептору и тем самым окисляется и приобретает положительный заряд. У растений:
- фотосистема 1 (максимум поглощения света на длине волны 700 нм — Р700)
- фотосистема 2 (максимум поглощения света на длине волны 680 нм — Р680
Различия в оптимумах поглощения обусловлены небольшими различиями в структуре пигментов. Две системы работают сопряженно, как конвейер, состоящий из двух частей и называющийся нециклическим фотофосфорилированием. Суммарное уравнение для нециклического фотофосфорилирования: 
Ф — условное обозначение остатка фосфорной кислоты 
Цикл начинается с фотосистемы 2. 1) антенные молекулы улавливают фотон и передают возбуждение молекуле активного центра Р680; 2) возбужденная молекула Р680 отдает два электрона кофактору Q при этом она окисляется и приобретает положительный заряд; Кофактор (cofactor). Кофермент или любое другое вещество, необходимое для выполнения ферментом его функции Коферменты (коэнзимы) [от лат. co (cum) — вместе и ферменты], органические соединения небелковой природы, участвующие в ферментативной реакции в качестве акцепторов отдельных атомов или атомных групп, отщепляемых ферментом от молекулы субстрата, т.е. для осуществления каталитического действия ферментов. Эти веществава, в отличие от белкового компонента фермента (апофермента), имеют сравнительно небольшую молекулярную массу и, как правило, термостабильны. Иногда под Коферментами подразумевают любые низкомолекулярные вещества, участие которых необходимо для проявления каталитического действия фермента, в т. ч. и ионы, напр. К + , Mg 2+ и Мn 2+ . Располагаются оферменты. в активном центре фермента и вместе с субстратом и функциональными группами активного центра образуют активированный комплекс. Для проявления каталитической активности большинству ферментов необходимо наличие кофермента. Исключение составляют гидролитические ферменты (например, протеазы, липазы, рибонуклеаза), выполняющие свою функцию в отсутствие кофермента. Молекула восстанавливается Р680 (под действием ферментов),. При этом вода диссоциирует на протоны и молекулярный кислород, т.е. вода является донором электронов, который обеспечивает восполнение электронов в Р680.ФОТОЛИЗВОДЫ — расщепление молекулы воды, в частности в процессе фотосинтеза. Вследствие фотолиза воды образуется кислород, выделяющийся зелеными растениями на свету.
Источник
Фотосинтез: что это такое и как он работает?
Фотосинтез необходим практически для всего живого, и он является основным источником кислорода в атмосфере.
Фотосинтез окружает нас повсюду. Он происходит под нашими ногами, над нашими головами и в освещенных солнцем зонах водной среды. Но что такое фотосинтез? Почему он так важен? И когда он появился? Ответы на эти и другие вопросы вы найдете ниже.
Что такое фотосинтез?
Фотосинтез — это процесс, в ходе которого синтезируются молекулы углеводов. Он используется растениями, водорослями и некоторыми бактериями для превращения солнечного света, воды и углекислого газа в кислород и энергию в виде сахара. Это, вероятно, самый важный биохимический процесс на планете.
По сути, он забирает углекислый газ, выделяемый всеми дышащими организмами, и возвращает его в атмосферу в виде кислорода.
На скорость фотосинтеза влияют интенсивность освещения, концентрация углекислого газа, поступление воды, температура и наличие минералов. Процесс происходит полностью в хлоропластах, и именно хлорофилл, содержащийся в хлоропластах, придает фотосинтезирующим частям растения зеленый цвет.
Фотосинтез важен и в других частях биосферы. Как морские, так и наземные растения извлекают углекислый газ из атмосферы, и часть его осаждается обратно в виде раковин из карбоната кальция или захоранивается в почве в виде органического вещества.
Без фотосинтеза круговорот углерода не мог бы происходить, и у нас вскоре закончилась бы пища. Со временем атмосфера потеряла бы почти весь газообразный кислород, и большинство организмов исчезло бы.
Как происходит фотосинтез?
Растениям требуется световая энергия, углекислый газ, вода и питательные вещества. Эти ингредиенты поступают как из прилегающей атмосферы, так и из почвы.
Фаза 1
Растения поглощают солнечный свет через два верхних слоя листьев — кутикулу и эпидермис. Эти слои тонкие, поэтому свет легко проходит через них. Углекислый газ поступает из атмосферы, и в то же время вода всасывается из почвы в тело живого растения.
Фаза 2
Сразу под кутикулой и эпидермисом находятся палисадные клетки мезофилла. Эти специализированные клетки имеют вертикальную вытянутую форму и расположены близко друг к другу для максимального поглощения света.
Ниже клеток палисадного мезофилла находится губчатая мезофилловая ткань, которая неплотно упакована для эффективного газообмена. Когда газы движутся внутрь и наружу из этих клеток, они растворяются в тонком слое воды, покрывающем клетки.
Фаза 3
Внутри палисадных клеток мезофилла находятся хлоропласты, много хлоропластов. Они содержат хлорофилл — молекулы, которые не поглощают зеленые волны белого света. Вместо этого они отражают его обратно, придавая растениям зеленый цвет.
Фаза 4
Внутри хлоропласта происходит волшебство. Происходит светозависимая реакция, при которой энергия световых волн поглощается и сохраняется в энергонесущих молекулах АТФ.
Затем в светонезависимой реакции (цикл Кальвина) АТФ используется для производства глюкозы, источника энергии. Вода окисляется, углекислый газ восстанавливается, а кислород выбрасывается в атмосферу.
Кислород выделяется через устьица в листьях, микроскопические поры, которые открываются, чтобы впустить углекислый газ и выпустить кислород (и водяной пар).
Какое уравнение фотосинтеза?
Фотосинтезирующие организмы составляют основу пищевой цепи.
Углекислый газ + вода (с энергией света) = глюкоза + кислород
Помимо световой энергии, углекислого газа и воды, растениям необходимы питательные вещества, которые они получают из почвы. Эти питательные вещества снова высвобождаются, или перерабатываются, когда ткани растения отмирают и начинают разлагаться в почве.
Кислород в виде молекул газа (O2) является побочным продуктом фотосинтеза, но именно он отвечает за содержание кислорода в воздухе, который поддерживает нашу жизнь. Растения также выделяют энергию и воду в атмосферу в процессе дыхания.
Сбалансированное уравнение идет немного дальше. Шесть молекул углекислого газа и шесть молекул воды (реагенты) превращаются в одну молекулу сахара (C6H12O6) и шесть молекул кислорода посредством световой энергии, захваченной хлорофиллом.
Фотосинтез и пищевая цепь
Во время фотосинтеза энергия проходит через систему, и вы можете думать о фотосинтезе как о системе потока энергии, прослеживающей путь солнечной энергии через экосистему. Эта энергия запасается первичными продуцентами, фотосинтезирующими организмами. Когда эти организмы поедаются и перевариваются первичными потребителями, высвобождается химическая энергия, которая используется для запуска новых биохимических реакций.
На каждом уровне преобразования энергии по всей пищевой цепи часть энергии теряется в виде тепла. Кроме того, значительная часть энергии, поступающей в каждый организм, используется в процессе дыхания для поддержания жизнедеятельности организма. Эта энергия не сохраняется для использования другими организмами, находящимися выше по пищевой цепи.
Когда начался фотосинтез?
Эволюция фотосинтеза имела огромные последствия для Земли. По мере того как органические вещества фотосинтетической жизни захоранивались в толщах земли, углерод удалялся из атмосферы, позволяя накапливаться кислороду.
Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что фотосинтезирующие организмы существовали примерно 3,2-3,5 миллиарда лет назад в виде строматолитов. Строматолиты представляют собой слоистые микробные структуры (обычно чередование светлых и темных слоев), обычно образованные цианобактериями и водорослями, и являются самыми древними известными окаменелостями, а значит, и самым ранним свидетельством жизни на Земле.
Когда этот ранний кислород распространился в верхние слои атмосферы (стратосферу), солнечное излучение превратило молекулы кислорода в озон, в результате чего образовался озоновый слой стратосферы. И, конечно, поскольку озоновый слой поглощает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, он играет важную роль в защите здоровья человека, поэтому маловероятно, что жизнь процветала бы без этого защитного щита.
Источник