Значення та роль фотосинтезу

Основне джерело енергії

Слово «Фотосинтез» означає буквально створення або збірку чогось під дією світла. Зазвичай, говорячи про фотосинтезі, мають на увазі процес, за допомогою якого рослини на сонячному світлі синтезують органічні сполуки з неорганічного сировини. Всі форми життя у Всесвіті потребують енергії для зростання і підтримки життя. Водорості, вищі рослини і деякі типи бактерій вловлюють безпосередньо енергію сонячного випромінювання і використовують її для синтезу основних харчових речовин. Тварини не уміють використовувати сонячне світло безпосередньо як джерело енергії, вони отримують енергію, поїдаючи рослини чи інших тварин, що харчуються рослинами. Отже, в кінцевому рахунку джерелом енергії для всіх метаболічних процесів на нашій планеті, служить Сонце, а процес фотосинтезу необхідний для підтримки всіх форм життя на Землі.

Ми користуємося копалин паливом - вугіллям, природним газом, нафтою і т.д. Всі ці види палива - не що інше, як продукти розкладання наземних і морських рослин або тварин, і запасені в них енергія була мільйони років тому отримана з сонячного світла. Вітер і дощ теж зобов'язані своїм виникненням сонячної енергії, а отже, енергія вітряних млинів та гідроелектростанцій в кінцевому рахунку також обумовлена сонячним випромінюванням.

Найважливіший шлях хімічних реакцій при фотосинтезі - це перетворення вуглекислоти і води в вуглець і кисень. Сумарну реакцію можна описати рівнянням СО2 + Н20? [СН20] 02

Вуглеводи, що утворюються в цій реакції, містять більше енергії, ніж вихідні речовини, т. тобто СО2 і Н20. Таким чином, за рахунок енергії Сонця енергетичні речовини (СО2 та Н20) перетворюються на багаті енергією продукти - вуглеводи і кисень. Енергетичні рівні різних реакцій, описаних сумарним рівнянням, можна охарактеризувати величинами окислювально-відновних потенціалів, вимірюваних в вольтах. Значення потенціалів показують, скільки енергії запасається або розтрачується в кожної реакції. Отже, фотосинтез можна розглядати як процес утворення променевої енергії Сонця в хімічну енергію рослинних тканин.

Зміст СО2 в атмосфері залишається майже повним, не дивлячись на те, що вуглекислий газ витрачається в процесі фотосинтезу. Справа в тому, що всі рослини і тварини дихають. У процесі дихання в мітохондріях кисень, що поглинається з атмосфери живими тканинами, використовується для окислення вуглеводів і інших компонентів тканин з освітою в кінцевому рахунку двоокису вуглецю і води і з супутнім виділенням енергії. Вивільняється енергія запасається в високоенергетичні з'єднання - аденозинтрифосфат (АТФ), який і використовується організмом для виконання всіх життєвих функцій. Таким чином дихання приводить до витрачання органічних речовин і кисню і збільшує зміст СО2 на н планеті. На процеси дихання у всіх живих організмах і на спалювання всіх видів палива, що містять вуглець, в сукупності витрачається в масштабах Землі в середньому близько 10000 тонн 02 в секунду. При такій швидкості. Споживання весь кисень у атмосфері мав би вичерпатися приблизно, через 3000 років. На щастя для нас, витрата органічних речовин і атомного кисню врівноважується створенням вуглеводів і кисню в результаті фотосинтезу. У ідеальних умовах швидкість фотосинтезу в зелених тканинах рослин приблизно в 30 разів перевищує швидкість дихання в тих же тканинах, таким чином, фотосинтез слугує важливим чинником, регулюючим зміст 02 на Землі.

Історія відкриття фотосинтезу

В початку XVII ст. фламандський лікар Ван Гельмонт виростив у діжці із землею дерево, яке він поливав тільки дощовою водою. Він зауважив, що через п'ять років, дерево виросло до великих розмірів, хоча кількість землі в діжці практично не зменшилася. Ван Гельмонт, природно, зробив висновок, що матеріал, з якого утворилося дерево стався з води, використаної для поливу. У 1777 англійський ботанік Стівен Хейлс опублікував книгу, в якій повідомлялося, що в якості поживної речовини, необхідної для зростання, рослини використовують головним чином повітря. У той же період знаменитий англійський хімік Джозеф Прістлі (він був одним з першовідкривачів кисню) провів серію дослідів з горіння і диханню і прийшов до висновку про те, що зелені рослини здатні здійснювати всі ті дихальні процеси, які були виявлені в тканинах тварин. Прістлі спалював свічку в замкнутому об'ємі повітря, і виявляв, що виходить при цьому повітря вже не може підтримувати горіння. Миша, вміщена в такій посудина, вмирала. Однак гілочка м'яти продовжувала жити в повітрі тижнями. На закінчення Прістлі виявив, що в повітрі, відновленому гілочкою м'яти, знову стала горіти свічка, могла дихати миша. Тепер ми знаємо, що свічка, згораючи, споживала кисень із замкнутого об'єму повітря, але потім повітря знову насичується киснем завдяки фотосинтезу, що відбувалося в залишеній гілочці м'яти. Через кілька років голландський лікар Інгенхауз виявив, що рослини окислюють кисень лише на сонячному світлі і що тільки їх зелені частини забезпечують виділення кисню. Жан Сенебье, який займав пост міністра, підтвердив дані Інгенхауза і продовжив дослідження, показав, що в якості поживної речовини рослини використовують двоокис вуглецю, розчинену в воді. На початку XIX століття інший швейцарський дослідник де Сусіди вивчав кількісні взаємозв'язки між поглиненої рослиною вуглекислотою, з одного боку, і синтезованими органічними речовинами і киснем - з іншого. У результаті своїх дослідів він прийшов до висновку, що вода також споживається рослиною при асиміляції СО2. У 1817 р. два французьких хіміка, Пельтьє і Каванту, виділили з листя зелену речовину і назвали його хлорофілом. Наступною важливою віхою в історії вивчення фотосинтезу було зроблене в 1845 році німецьким фізиком Робертом Маєром твердження про те, що зелені рослини перетворюють енергію, сонячного світла в хімічну енергію. Уявлення про фотосинтезі, що склалися до середини минулого століття, можна виразити таким співвідношенням:

Зелене рослина

СО2 + Н2 О + Світло? О2 + орг. речовини + хімічна енергія

Ставлення кількості С02, поглиненої при фотосинтезі, до кількості виділеного 02, точно виміряв французький фізіолог рослин Бусенго. У 1864 р. він виявив, що фотосинтетичні відношення, тобто відношення обсягу виділеного 02 до обсягу поглиненого С02, майже дорівнює одиниці. У тому ж році німецький ботанік Закс (що відкрив також у рослин дихання) продемонстрував освіта зерен крохмалю при фотосинтезі. Закс поміщав зелене листя на кілька годин в темряву для того, щоб вони витратили накопичений в них крохмаль. Потім він виносив листя на світло, але при цьому висвітлював лише половину кожного листа, залишаючи іншу половину листа в темряві. Через деякий час весь лист цілком обробляли парами йоду. У результаті освітлена частина листа ставала темно-фіолетового, що свідчило про освіту комплексу крохмалю з йодом, тоді як колір іншої половини аркуша не змінювався. Пряму зв'язок між виділенням кисню і хлоропластами в зеленому листі, а також відповідність спектру дії фотосинтезу спектри поглинання хлоропластами встановив в 1880 м. Енгельман. Він помістив нитковидних зелену водорість має спірально звиті хлоропласти, на предметне скло, висвітлюючи його вузьким і широким пучком білого світла. Разом з водоростю на предметне скло наносилася суспензія клітин рухливих бактерій, чутливих до концентрації кисню. Предметна скло поміщали в камеру без повітря і висвітлювали. У цих умовах рухомі бактерії повинні були переміщатися в ту частину, де концентрація 02 була вище. Після через деякий час зразок розглядали під мікроскопом і підраховували розподіл бактеріопопуляціі. Виявилося, що бактерії концентрувалися навколо зелених смужок у ниткоподібний водорості. В іншій серії дослідів Енгельман висвітлював водорості променями різного спектрального складу, встановивши призму між джерелом світла і предметним столиком мікроскопа. Найбільша кількість бактерій у цьому випадку накопичувалось навколо тих ділянок водорості, які висвітлювалися синім і червоним областями спектру. Знаходяться в водоростях хлорофіли поглинали синій і червоне світло. Оскільки на той час було вже відомо, що для фотосинтезу необхідно поглинання світла, Енгельман зробив висновок, що хлорофіли беруть участь у синтезі в якості пігментів, що є активними фоторецептора. Рівень знань про фотосинтезі на початку нашого століття можна представити таким чином.

СО2 + Н2О + Світло-О2 + Крохмаль + Хімічна енергія

Отже, до початку нашого століття сумарна реакція фотосинтезу була вже відома. Однак біохімія перебувала не на такому високому рівні, щоб повно розкрити механізми відновлення двоокису вуглецю до вуглеводів. На жаль, слід визнати, що і тепер ще деякі аспекти фотосинтезу вивчені досить погано. Здавна робилися спроби дослідити вплив інтенсивності світла, температури, концентрації вуглекислоти тощо. п. на спільний вихід фотосинтезу. І хоча в цих роботах досліджувалися рослини самих різних видів, більшість вимірювань було виконано на одноклітинних зелених водоростях і на одноклітинної жгутиковой водорості Евглена. Одноклітинні організми зручніше для якісного дослідження, оскільки їх можна вирощувати в усіх лабораторіях при цілком стандартних умовах. Вони можуть бути рівномірно суспензованого, тобто зважені у водних буферних розчинах, і потрібний обсяг такої суспензії, або суспензії, можна брати такий дозування, точно так само, як при роботі з звичайними рослинами. Хлоропласти для дослідів найкраще виділяти з листя вищих рослин. Найчастіше всього використовують шпинат, тому що його легко вирощувати і свіже листя зручні для проведення досліджень, іноді використовуються листя гороху і салату-латуку.

Оскільки СО2 добре розчиняється у воді, а О2 щодо не розчиняється у воді, то при фотосинтезі в замкнутій системі тиск газу в цій системі може змінюватися. Тому вплив світла на фотосинтетичні системи часто досліджують за допомогою респіратора Варбурга, що дозволяє реєструвати порогові зміни обсягу 02 в системі. Вперше респіратор Варбурга був використаний стосовно фотосинтезу в 1920р. Для вимірювання споживання або виділення кисню в ході реакції зручніше користуватися іншим приладом - кисневим електродом. В основі цього пристрою лежить використання полярографічних методу. Кисневий електрод володіє достатньою чутливістю для того, щоб виявити в таких низьких концентраціях як 0,01 ммоль в 1 л. Прилад складається з катода досить тонкої платинового дроту, герметично впресовані в пластину анода, що представляє собою кільце з срібного дроту, зануреного в насичений розчин. Електроди відокремлені від суміші, в якій протікає реакція, мембраною, проникною для 02. Реакційна система знаходиться в пластмасовому або скляній посудині і постійно перемішується обертається стрижневим магнітом. Коли до електродів докладено напруга, платиновий електрод стає негативним по відношенню до стандартного електроду, кисень у розчині електролітичні відновлюється. При напрузі від 0,5 до 0,8 В величина електричного струму лінійно залежить від парціального тиску кисню в розчині. Зазвичай з кисневим електродом працюють при напрузі близько 0,6 В. Електричний струм вимірюють, приєднавши електрод до підходящої реєструючої системі. Електрод разом з реакційною сумішшю зрошують потоком води від термостата. За допомогою кисневого електроду вимірюють дію світла і різних хімічних речовин на фотосинтез. Перевага кисневого електроду перед апаратом Варбурга полягає в тому, що кисневий електрод дозволяє швидко і безперервно реєструвати зміни вмісту О2 в системі. З іншого боку, в приладі Варбурга можна одночасно досліджувати до 20 зразків з різними реакційними сумішами, тоді як при роботі з кисневим електродом зразки доводиться аналізувати по черзі.

Приблизно до початку 1930-х років багато дослідників у цій галузі вважали, що первинна реакція фотосинтезу полягає в розщепленні двоокису вуглецю під дією світла на вуглець і кисень з подальшим відновленням вуглецю до вуглеводів за участю води в ході декількох послідовних реакцій. Точка зору змінилася в 1930-х роках в результаті двох важливих відкриттів. По-перше, були описані різновиди бактерій, здатних асимілювати і синтезувати вуглеводи, не використовуючи для цього енергію світла. Потім, голландський мікробіолог Ван Ніл порівняв процеси фотосинтезу у бактерій і показав, що деякі бактерії можуть асимілювати С02 на світлі, не виділяючи при цьому кисню. Такі бактерії здатні до фотосинтезу лише за наявності відповідного субстрату-донора водню. Ван Ніл припускав, що фотосинтез зелених рослин і водоростей є окремим випадком, коли кисень у фотосинтезі відбувається з води, а не з вуглекислоти.

Друге важливе відкриття зробив у 1937 р. Р. Хіл в Кембріджському університеті. За допомогою диференціального центрифугування гомогенату тканин листа він відокремив фотосинтезуючі частки (хлоропласти) від дихальних частинок. Отримані Xіллом хлоропласти при висвітленні самі по собі не виділяли кисню (можливо, через те, що вони були пошкоджені при поділі). Однак вони починали виділяти кисень на світлі, якщо в суспензію вносили відповідні акцептори електрона (окислювачі), наприклад ферріоксалат калію або ферріціанід калію. При виділення однієї молекули 02 фотохімічно відновлювалися чотири еквівалента окислювача. Пізніше було виявлено, що багато хінони та барвники відновлюються хлоропластами на світлі. Однак хлоропласти не могли відновити СО2, природний акцептор електронів при фотосинтезі. Це явище, відоме тепер як реакція Хілла, є індукований світлом перенесення електронів від води до нефізіологіческім окислювача (реагентів Хілла) проти градієнта хімічного потенціалу. Значення реакції Хілла полягає в тому, що вона продемонструвала можливість поділу двох процесів - фотохімічного виділення кисню і відновлення вуглекислоти при фотосинтезі.

Розкладання води, що приводить до виділення вільного кисню при фотосинтезі, було встановлено Рубеном і Каменом, у Каліфорнії в 1941 р. Вони помістили фотосинтезуючі клітини у воду, збагачену ізотопом кисню, що мають масу 18 атомних одиниць 180. Ізотопний склад кисню, виділеного клітинами, відповідав складу води, але не С02. Крім того, Камен і Рубен відкрили радіоактивний ізотоп 18О, який згодом успішно використовували Бассет, Бенсон Вин, що вивчали шлях перетворення вуглекислоти при фотосинтезі. Кальвін і його співробітник встановили, що відновлення вуглекислоти до цукрів відбувається в результаті темнова ферментативних процесів, причому для відновлення однієї молекули вуглекислоти потрібно дві молекули відновленого АДФ і три молекули АТФ. На той час роль АТФ і пірідіннуклеотідов в диханні тканин була встановлена. Можливість фотосинтетичного відновлення АДФ до АТФ виділеними хлорофілу була доведена в 1951 р. в трьох різних лабораторіях. У 1954 Арнон, Аллен продемонстрували фотосинтез - вони спостерігали асиміляцію С02 і 02 виділеними хлоропластами шпинату. Протягом наступного десятиліття з хлоропластів вдалося виділити білки, що беруть участь у переносі електронів в синтезі-ферредоксін, пластоціанін, ферроАТФ-редуктазу, цитохроми і т. д.

Таким чином, у здорових зеленому листі, під дією світла утворюються АДФ і АТФ і енергія гідросвязей використовуються для відновлення С02 до вуглеводів в присутності ферментів, причому активність ферментів регулюється світлом.

лімітуючим чинником

Інтенсивність, або швидкість процесу фотосинтезу в рослині залежить від ряду внутрішніх і зовнішніх факторів. З внутрішніх факторів найбільш важливе значення мають структура листа і вміст у ньому хлорофілу, швидкість накопичення продуктів фотосинтезу в хлоропластах, вплив ферментів, а також наявність малих концентрацій необхідних неорганічних вещест??. Зовнішні параметри - це кількість і якість світла, що потрапляє на листя, температура навколишнього середовища, концентрація вуглекислоти та кисню в атмосфері поблизу рослини.

Швидкість фотосинтезу зростає лінійно, або прямо пропорційно до збільшення інтенсивності світла. У міру подальшого збільшення інтенсивності світла наростання фотосинтезу стає все менш і менш вираженим, і, нарешті, припиняється, коли освітленість досягає певного рівня 10000 люкс. Подальше збільшення інтенсивності світла вже не впливає на швидкість фотосинтезу. Область стабільній швидкості фотосинтезу називається областю светонасищенія. Якщо потрібно збільшити швидкість фотосинтезу в цій області, слід змінювати не інтенсивність світла, а будь-які інші фактори. Інтенсивність сонячного світла, що потрапляє в ясний літній день на поверхню землі, у багатьох місцях нашої планети становить приблизно 100000 люкс. Отже, рослин, за винятком тих, які ростуть в густих лісах і в тіні, падаючого сонячного світла буває достатньо для насичення їх фотосинтетичної активності (енергія квантів, відповідних крайнім ділянок видимого діапазону - фіолетового і червоного, розрізняється всього лише в два рази, і всі фотони цього діапазону в принципі здатні здійснити запуск фотосинтезу).

В випадку низьких інтенсивностей світла швидкість фотосинтезу при 15 і 25 ° С однакова. Реакції, що протікають при таких інтенсивності світла, які відповідають області лімітування світла, подібно до істинним фотохімічним реакцій, не чутливі до температур. Однак при більш високих інтенсивності швидкість фотосинтезу при 25 ° С набагато вище, ніж при 15 ° С. Отже, в області світлового насичення рівень фотосинтезу залежить не тільки від поглинання фотонів, а й від інших факторів. Більшість рослин у помірному кліматі добре функціонують в інтервалі температур від 10 до 35 ° С, найбільш сприятливі умови - це температура близько 25 ° С.

В області лімітування світлом швидкість фотосинтезу не змінюється при зменшенні концентрації СО2. Звідси можна зробити висновок, що бере участь С02 безпосередньо в фотохімічної реакції. У той же час при більш високих інтенсивність освітлення, що лежать за межами області лімітування, фотосинтез істотно зростає при збільшенні концентрації СО2. У деяких зернових культур фотосинтез лінійно зростав при збільшенні концентрації СО2 до 0,5%. (ці виміри проводили в короткочасних дослідах, оскільки тривала дія високих концентрацій СО2 пошкоджує листи). Високих значень швидкість фотосинтезу досягає при утриманні С02 близько 0,1%. Середня концентрація вуглекислоти в атмосфері складає від 0,03%. Тому в звичайних умовах рослинам не вистачає СО2 для того, щоб з максимальною ефективністю використовувати на них потрапляє сонячне світло. Якщо вміщений у замкнутий обсяг рослина освітлювати світлом насичує інтенсивності, то концентрація СО2 в обсязі повітря буде поступово зменшуватися й досягне постійного рівня, відомого під назвою «С02 компенсаційного пункту». У цій точці поява СО2 при фотосинтезі врівноважується виділенням О2 в результаті дихання (темнового і світлового). У рослин різних видів положення компенсаційних пунктів різні.

Світлові та темнова реакції.

Ще в 1905 р. англійський фізіолог рослин Ф. Ф. Блекмен, інтерпретуючи форму кривий світлового насичення фотосинтезу, висловив припущення, що фотосинтез являє собою двостадійний процес, що включає фотохімічну, тобто світлочутливу реакцію і нефотохіміческую, тобто Темнова, реакцію. Темнова реакція, будучи ферментативної, протікає повільніше, ніж світлова реакція, і тому при високій інтенсивності світла швидкість фотосинтезу повністю визначається швидкістю темнової реакції. Світлова реакція або взагалі не залежить від температури, або залежність ця виражена дуже слабко, тоді Темнова реакція, як і всі ферментативні процеси, залежить від температури в досить значно і ступеня. Слід чітко уявляти собі, що реакція, звана темнової, може протікати як у темряві, так і на світлі. Світлову і темнова реакції можна розділити, використовуючи спалахи світла, що тривають короткі частки секунди. Спалахи світла тривалістю менше однієї мілісекунди (10-3 с) можна отримати або за допомогою механічного пристосування, поставивши на шляху пучка постійного світла обертовий диск з щілиною, або електрично, заряджаючи конденсатор і розряджаючи його через вакуумну або газорозрядну лампу. В якості