Что происходит с водой при фотосинтезе

Фотосинтез

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):

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).

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 — НАФД + 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 +4 O₃) 2- —> (S +6 O₄) 2-
• Железобактерии — окисляют Fe +2 —>Fe +3
• Водородные бактерии — окисляют H₂ —> H +1 ₂O
• 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.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Источник

Принципы и особенности фотолиза воды

Что такое фотодиссоциация или фотолиз воды

Фотолиз воды — распад водных молекул из-за воздействия солнечного света (фотонов) при фотосинтезе.

Он является частью процесса фотосинтеза в растениях и способствует выделению большого количества кислорода в атмосферу.

Фотодиссоциация может протекать и вне видимого света, если фотон обладает достаточной энергией (выше солнечной — ультрафиолетовые лучи, рентгеновские или гамма-лучи).

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Фотолиз возникает из-за воздействия светового фотона на воду.

Последовательность фотосинтеза воды

Процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой. Фотолиз осуществляется в рамках световой фазы.

Световая фаза фотосинтеза

В листьях растений содержатся хлоропласты, полные особых пигментов:

1. Хлорофилл — значим только для фотосинтеза. Его содержится огромное количество (около 400 молекул).
2. Каротиноиды — поглощают коротковолновой солнечный свет, передают хлорофиллу энергию, защищают его от окисления кислородом, который выделяется при фотосинтезе.

На количество хлорофилла влияет концентрация тяжелых металлов (например, меди, цинка, марганца) и количество углерода в листьях растений.

Фотолиз происходит только в 1% молекул хлорофилла. Все другие собирают свет, объединяясь и становясь антенными комплексами. Собирая свет, молекулы хлорофилла приходят в возбуждение. Оно передается в реакционные центры. В центрах есть две фотосистемы. В каждой из них — особые молекулы хлорофилла (в первой P680, а во второй P700). Они принимают световые кванты конкретной длины — 680 и 700 нм. При этом каждая система выделяет один электрон на более высокий уровень.

Первая фотосистема способствует восстановлению количества электронов при посредстве переносчиков из второй системы. А вторая система забирает у воды электрон, тем самым давая начало ее фотолизу (распаду\расщеплению) на ионы водорода и кислород. Кислорода выделяется очень много. Он является побочным продуктом, высвобождается в атмосферу. Водород остается и накапливается в мембране, чтобы продолжить участвовать в дальнейших реакциях уже в темновой фазе.

Основные этапы фотосинтеза воды:

1. На хлорофилл действует фотон света. Хлорофилл начинает выделять электроны. Те из них, которые заряжены отрицательно, собираются на мембране. Электроны в хлорофилле заканчиваются. Световой квант воздействует дальше — на воду, что вызывает собственно фотолиз, то есть распад молекул воды.
2. Протоны водорода (заряжены положительно) тоже скапливаются на мембране. Между ними и отрицательными электронами зажимается тилакоид («мешочек» с мембраной в хлоропласте). Начинается производство кислорода (гидроксильными ионами).
3. Затем специальная группа ферментов аденозинтрисфосфатсинтаза (АТФ-синтаза) доставляет протоны в ткани, где их подхватывает еще одна особая группа, которая специально предназначена для работы в углеводных реакциях — никотинамиддинуклеотидфосфат (НАДФ).

Темновая фаза фотосинтеза

Она проходит после фотолиза и уже без участия света. В этот период восстанавливается глюкоза (благодаря растворенному в воде углекислому газу, НАДФ и АТФ) — цикл Кальвина (процесс открыл ученый по фамилии Кальвин).

Здесь участвует запасенная в предыдущей фазе энергия.

Место проведения реакций темновой фазы — строма хлоропластов. Углерод поступает туда через устьица.

Фотолиз, проходящий в световой фазе, готовит все необходимые вещества для будущей реализации темновой фазы.

Избыток глюкозы при его возникновении будет отложен в виде крахмала (запасное питательное вещество для всего растения).

Также на этом этапе образуются нуклеотиды, спирты, аминокислоты.

Химические основы фотолиза воды

Хлорофилл своим химическим составом напоминает гемоглобин крови. Это обусловлено наличием порфиринового кольца с магнием в центре.

Фотосинтез с химической точки зрения — это процесс восстановления углерода с помощью энергии солнца. В животных организмах она появляется вследствие метаболизма углеводов (их животные получают с растительной пищей). Углеводы проходят через окисление.

По степени способности к гидролизу углеводы делят на несколько групп:

В результате второй фазы фотосинтеза образуется моносахарид — глюкоза и полисахарид — крахмал.

Что участвует в реакции, формула

В реакции участвует вода и электрон.

Электроны (e) пополняют затраченный при фотосинтезе запас хлорофилла.

Побочным продуктом данной реакции выступает кислород ( \(O_2\) ).

Что выделяется при фотолизе

Выделяется большое количество свободного кислорода в атмосферу. А также ионы водорода, которые накапливаются в избытке на мембране, создавая световые запасы для темновой фазы фотосинтеза.

Именно благодаря реакции фотолиза воды может образовывать много кислорода, который дает возможность жить всему живому на земле.

Источник