![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_6ixLCt6ulT0XuUPgvhf.jpg)
Горите се считат за „зелените бели дробове на планетата“ не напразно. Какво представлява фотосинтезата и как протича този процес, ще разгледаме подробно.
Какво е фотосинтезата?
фотосинтеза - Биохимичен процес, по време на който органичните възникват с помощта на специални растителни пигменти и светлинна енергия от неорганични вещества (въглероден диоксид, вода). Това е един от най-важните процеси, поради който по-голямата част от организмите се появиха и продължават да съществуват на планетата.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_uOv4HpOwd55imt1Be2E.jpg)
Интересен факт: Наземните растения, както и зелените водорасли са способни да фотосинтезират. В този случай водораслите (фитопланктон) произвеждат 80% кислород.
Значението на фотосинтезата за живота на Земята
Без фотосинтеза вместо много живи организми, на нашата планета биха съществували само бактерии. Именно енергията, получена в резултат на този химичен процес, позволи на бактериите да се развиват.
Всички естествени процеси се нуждаят от енергия. Тя идва от слънцето. Но слънчевата светлина се оформя едва след като се трансформира от растенията.
Растенията използват само част от енергията, а останалата част те натрупват в себе си. Те ядат тревопасни животни, които са храна за хищници. В хода на веригата всяка връзка получава необходимите ценни вещества и енергия.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_k9XrgGsZljrp.jpg)
Кислородът, произведен по време на реакцията, е необходим за дишането на всички същества. Дишането е обратното на фотосинтезата. В този случай органичната материя се окислява, унищожава. Получената енергия се използва от организмите за изпълнение на различни жизненоважни задачи.
По време на съществуването на планетата, когато имаше малко растения, кислородът практически липсваше. Примитивните форми на живот са получавали минимум енергия по други начини. Това беше твърде малко за развитие. Следователно дишането поради кислород отвори повече възможности.
Друга функция на фотосинтезата е защитата на организмите от излагане на ултравиолетова светлина. Говорим за озоновия слой, разположен в стратосферата на височина около 20-25 км. Образува се поради кислорода, който се превръща в озон под действието на слънчевата светлина. Без тази защита животът на Земята би бил ограничен само до подводни организми.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_OmovxgXB250z.jpg)
Организмите отделят въглероден диоксид по време на дишането. Той е съществен елемент на фотосинтезата. В противен случай въглеродният диоксид просто би се натрупал в горната атмосфера, значително засилвайки парниковия ефект.
Това е сериозен екологичен проблем, същността на който е да се повиши температурата на атмосферата с отрицателни последици. Те включват изменение на климата (глобално затопляне), топене на ледници, покачване на морското равнище и т.н.
Функции на фотосинтеза:
- отделяне на кислород;
- формиране на енергия;
- образуване на хранителни вещества;
- създаването на озоновия слой.
Определение и формула на фотосинтезата
Терминът „фотосинтеза“ идва от комбинация от две думи: снимка и синтез. В превод от старогръцки език те означават съответно "светлина" и "връзка". Така енергията на светлината се превръща в енергия на връзки на органични вещества.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_bh66emxv2DqvOIDvpoYJ5.jpg)
Схема:
Въглероден диоксид + вода + светлина = въглехидрати + кислород.
Научната формула за фотосинтеза:
6CO2 + 6Н2O → C6н12ОТНОСНО6 + 6O2.
Фотосинтезата протича така, че директен контакт на вода и СО2 невидим.
Значението на фотосинтезата за растенията
Растенията изискват органична материя, енергия за растеж и развитие. Благодарение на фотосинтезата те се осигуряват с тези компоненти. Създаването на органични вещества е основната цел на фотосинтезата за растенията, а отделянето на кислород се счита за странична реакция.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_RZptuGhlQMPhC4V008P6.jpg)
Интересен факт: Растенията са уникални, тъй като не се нуждаят от други организми, за да получат енергия.Следователно те образуват отделна група - автотрофи (в превод от древногръцкия език „Ям сам“).
Как протича фотосинтезата?
Фотосинтезата се осъществява директно в зелените части на растенията - хлоропласти, Те са част от растителните клетки. Хлоропластите съдържат вещество - хлорофил, Това е основният фотосинтетичен пигмент, благодарение на него протича цялата реакция. Освен това хлорофилът определя зеления цвят на растителността.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_ge8lfDlQqulkYiAG2h8n.jpg)
Този пигмент се характеризира със способността да абсорбира светлина. А в клетките на растението се стартира истинска биохимична „лаборатория“, в която се намират вода и СО2 превръщат се в кислород, въглехидрати.
Водата навлиза през кореновата система на растението, а газът прониква директно в листата. Светлината действа като източник на енергия. Когато леката частица действа върху молекулата на хлорофила, става нейното активиране. Във водната молекула Н2О кислородът (O) остава непоискан. Така тя се превръща в страничен продукт за растенията, но толкова важен за нас, продукт на реакцията.
Фази на фотосинтеза
Фотосинтезата е разделена на два етапа: светъл и тъмен. Те се появяват едновременно, но в различни части на хлоропласта. Името на всяка фаза говори само за себе си. Светлинната или зависимата от светлина фаза настъпва само с участието на светлинни частици. В тъмната или енергонезависима фаза не е необходима светлина.
Преди да разгледаме по-подробно всяка фаза, си струва да разберем структурата на хлоропласта, тъй като той определя същността и мястото на етапите. Хлоропластът е разновидност на пластидите и се намира вътре в клетката отделно от другите й компоненти. Има формата на семе.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_eVvo0uL80KXGz.jpg)
Хлоропластови съставки, участващи във фотосинтезата:
- 2 мембрани;
- строма (вътрешна течност);
- thylakoids;
- лумени (празнини вътре в тилакоидите).
Лека фаза на фотосинтезата
Тече върху тилакоидите, по-точно мембраните им. Когато светлината ги удари, отрицателно заредените електрони се освобождават и натрупват. По този начин фотосинтетичните пигменти губят всички електрони, след което идва ред на водните молекули да се разпадат:
Н2O → H + + OH-
В този случай образуваните водородни протони имат положителен заряд и се натрупват върху вътрешната тилакоидна мембрана. В резултат на това протоните със заряд плюс и електрони с минус заряд се разделят само от мембрана.
Кислородът се произвежда като страничен продукт:
4OH → O2 + 2Н2О
В определен момент фазите на електроните и протоните на водорода стават твърде много. Тогава ензимът ATP синтаза влиза в работата. Нейната задача е да прехвърля водородни протони от мембраната на тилакоидите в течната среда на хлоропласта - стромата.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_o9b6e1elhs9ulqtikfOHJo2V.jpg)
На този етап водородът е поставен на разположение на друг носител - NADP (съкратен за никотинамидин нуклеотид фосфат). Той също е вид ензим, който ускорява окислителните реакции в клетките. В този случай неговата задача е да транспортира водородни протони във въглехидратна реакция.
На този етап протича процесът на фотофосфолация, по време на който се генерира огромно количество енергия. Нейният източник е АТФ - аденозин трифосфорна киселина.
Кратко описание:
- Ударът на квант светлина върху хлорофила.
- Изборът на електрони.
- Еволюцията на кислорода.
- Образуването на NADPH оксидаза.
- ATP производство на енергия.
Интересен факт: На африканския бряг на Атлантическия океан има реликварско растение, наречено Velvichia. Това е единственият представител на вид с минимум листа, способен на фотосинтеза. Възрастта на Велвич обаче достига около 2000 години.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_h2Onh5a1VIpAvyuxUy5.jpg)
Тъмната фаза на фотосинтезата
Фазата, която не зависи от светлината, настъпва директно в стромата. Представлява серия от ензимни реакции. Въглеродният диоксид, абсорбиран на лекия етап, се разтваря във вода и на този етап се редуцира до глюкоза. Произвеждат се и сложни органични вещества.
Реакциите на тъмната фаза са разделени на три основни типа и зависят от вида на растенията (по-точно от метаболизма им), в клетките на които се извършва фотосинтезата:
- С3-plants;
- С4-plants;
- CAM растения.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_SU600g23awvV.jpg)
K C3- Растенията включват по-голямата част от селскостопанските култури, които растат в умерен климат. По време на фотосинтезата въглеродният диоксид става фосфоглицеринова киселина.
Субтропичните и тропическите видове, основно плевели, принадлежат към растенията С4. Те се характеризират с превръщането на въглеродния диоксид в оксалоацетат. CAM растенията са категория растения, които нямат влага. Те се различават по специален тип фотосинтеза - CAM.
С3-photosynthesis
Най-често срещаният е С3-фотосинтеза, която също се нарича цикъл на Калвин - в чест на американския учен Мелвин Калвин, който направи огромен принос в изследването на тези реакции и получи Нобелова награда за това.
Растенията се наричат С3 поради факта, че по време на реакциите на тъмната фаза се образуват 3-въглеродни молекули на 3-фосфоглицеронова киселина - 3-PGA. Различни ензими участват пряко.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_Qk05t1VSjLsE4TsFEYfrh2w.jpg)
За да се образува пълна молекула глюкоза, трябва да преминат 6 цикъла от реакции на фазата, независима от светлината. Въглехидратът е основният продукт на фотосинтезата в цикъла на Калвин, но в допълнение към него се произвеждат мастни и аминокиселини, както и гликолипиди. ° С3 фотосинтезата на растенията се осъществява изключително в мезофилни клетки.
Основният недостатък на C3фотосинтеза
Група C растения3се характеризират с един съществен недостатък. Ако в околната среда няма достатъчно влага, способността за фотосинтеза значително намалява. Това се дължи на фотореспирацията.
Факт е, че при ниска концентрация на въглероден диоксид в хлоропласти (по-малко от 50: 1 000 000), кислородът се фиксира вместо фиксация на въглерод. Специалните ензими се забавят значително и губят слънчевата енергия.
В същото време растежът и развитието на растението се забавят, тъй като му липсва органична материя. Също така не се отделя кислород в атмосферата.
Интересен факт: Морският плужек Elysia chlorotica е уникално животно, което фотосинтезира като растенията. Храни се с водорасли, чиито хлоропласти проникват в клетките на храносмилателния тракт и фотосинтезират там с месеци. Произведените въглехидрати служат на охлювите като храна.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_r68tJtEehupPx6ti7DiObe.jpg)
C4 фотосинтеза
За разлика от С3-синтеза, тук реакциите на фиксиране на въглероден диоксид се осъществяват в различни растителни клетки. Тези видове растения са в състояние да се справят с проблема с фотореспирацията и те правят това с двустепенен цикъл.
От една страна се поддържа високо ниво на въглероден диоксид, а от друга се контролира ниско ниво на кислород в хлоропластите. Тази тактика позволява на растенията C4 да избягват фотодишането и свързаните с тях трудности. Представители на растенията от тази група са захарна тръстика, царевица, просо и др.
В сравнение с растенията C3 те са в състояние да извършват процеси на фотосинтеза много по-интензивно при условие на висока температура и липса на влага. На първия етап въглеродният диоксид се фиксира в клетките на мезофила, където се образува 4-въглеродна киселина. Тогава киселината преминава в обвивката и там се разлага до 3-въглеродно съединение и въглероден диоксид.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_qOV4EeoTfawFT6iB9XDKc.jpg)
На втория етап полученият въглероден диоксид започва да работи в цикъла на Калвин, където се получават глицералдехид-3-фосфат и въглехидрати, които са необходими за енергийния метаболизъм.
Поради двуетапната фотосинтеза в растенията С4 се образува достатъчно количество въглероден диоксид за цикъла на Келвин. Следователно ензимите работят с пълна сила и не губят енергия напразно.
Но тази система има своите недостатъци. По-специално се изразходва по-голямо количество ATP енергия - тя е необходима за превръщането на 4-въглеродните киселини в 3-въглеродни киселини и в обратна посока. Така че С3-Фотосинтезата винаги е по-продуктивна от C4 с подходящото количество вода и светлина.
Какво влияе върху скоростта на фотосинтезата?
Фотосинтезата може да се случи с различна скорост. Този процес зависи от условията на околната среда:
- вода;
- дължина на вълната на светлината;
- въглероден двуокис;
- температура.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_ZW73s84oz5.jpg)
Водата е основен фактор, така че когато липсва, реакциите се забавят. За фотосинтезата най-благоприятни са вълните от червения и синьо-виолетовия спектър. Висока степен на осветеност също е за предпочитане, но само до определена стойност - когато тя бъде достигната, връзката между осветеността и скоростта на реакцията изчезва.
Високата концентрация на въглероден диоксид осигурява бързи фотосинтетични процеси и обратно. Определени температури са важни за ензимите, които ускоряват реакциите. Идеалните условия за тях са около 25-30 ℃.
Фото дъх
Всички живи същества се нуждаят от дишане и растенията не са изключение. Този процес в тях обаче протича малко по-различно, отколкото при хора и животни, поради което се нарича фотореспирация.
В общи линии, дъх - физически процес, по време на който жив организъм и неговата среда обменят газове. Както всички живи същества, растенията се нуждаят от кислород, за да дишат. Но те го консумират много по-малко, отколкото произвеждат.
По време на фотосинтеза, който се случва само на слънчева светлина, растенията създават храна за себе си. По време на фотодишането, което се извършва денонощно, тези хранителни вещества се усвояват от тях, за да поддържат метаболизма в клетките.
Интересен факт: по време на слънчев ден горски парцел от 1 хектар изразходва от 120 до 280 кг въглероден диоксид и отделя от 180 до 200 кг кислород.
Кислородът (като въглеродния диоксид) прониква в растителните клетки през специални отвори - стомаха. Те са разположени в долната част на листата. Около 1000 стомаха могат да бъдат разположени на един лист.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_i88dfhKbye6D.jpg)
Газообмен на растения в зависимост от осветеността
Процесът на обмен на газ при различно осветление е представен, както следва:
- Ярка светлина, Във въглеродния диоксид се използва по време на фотосинтезата. Растенията произвеждат повече кислород, отколкото консумират. Излишъците му навлизат в атмосферата. Въглеродният диоксид се изразходва по-бързо, отколкото се отделя при дишане. Неизползваните въглехидрати се съхраняват от растението за бъдеща употреба.
- Слаба светлина, Не се случва обмен на газ с околната среда, тъй като растението изразходва целия кислород, който произвежда.
- Липса на светлина, Появяват се само дихателни процеси. Въглеродният диоксид се освобождава и се консумира кислород.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_wgWu7iRgxx8aTq80Eu.jpg)
Хемосинтеза
Някои живи организми също са способни да образуват монокарбохидрати от вода и въглероден диоксид, докато не се нуждаят от слънчева светлина. Те включват бактерии и процесът на преобразуване на енергията се нарича хемосинтеза.
хемосинтеза Това е процес, по време на който се синтезира глюкоза, но вместо слънчева енергия се използват химикали. Тече в райони с достатъчно висока температура, подходящи за работата на ензимите и при липса на светлина. Това могат да бъдат райони в близост до хидротермални извори, изтичане на метан в морските дълбочини и др.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_1kf7567z9O0gbkQ.jpg)
Историята на откриването на фотосинтезата
Историята на откриването и изучаването на фотосинтезата датира от 1600 г., когато Ян Батист ван Хелмонт решава да разбере неотложния въпрос по това време: какво ядат растенията и откъде черпят полезни вещества?
По онова време се смяташе, че почвата е източник на ценни елементи. Ученият постави върбова клонка в контейнер със пръст, но преди това измери теглото им. В продължение на 5 години той се грижи за дървото, поливайки го, след което отново провежда измервателни процедури.
Оказа се, че теглото на земята намалява с 56 г, но дървото става 30 пъти по-тежко. Това откритие опроверга мнението, че растенията се хранят с почвата и породи нова теория - храненето с вода.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_HfWfuWci6MGiKmIA4udB5Gl6.jpg)
В бъдеще много учени се опитаха да я опровергаят.Например, Ломоносов вярва, че частично структурни компоненти влизат в растенията чрез листата. Той се ръководел от растения, които успешно растат в засушливи райони. Не беше възможно обаче да се докаже тази версия.
Най-близкото до реалната ситуация беше Джоузеф Притли, химически учен и непълно работно време свещеник. Веднъж той открил мъртва мишка в обърнат надолу буркан и този инцидент го принудил да проведе серия експерименти с гризачи, свещи и контейнери през 1770-те.
Пристли откри, че свещта винаги изгасва бързо, ако я покриете с буркан отгоре. Също така, жив организъм не може да оцелее. Ученият стигна до извода, че има определени сили, които правят въздуха подходящ за живот, и се опита да свърже това явление с растенията.
Той продължи да поставя експерименти, но този път се опита да постави саксия с растяща мента под стъклен съд. За голяма изненада растението продължи активно да се развива. Тогава Пристли постави растение и мишка под един буркан, а само животно под втория. Резултатът е очевиден - под първия резервоар гризачът остана невредим.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_5yst8JXqa4O.jpg)
Постижението на химика стана мотивация за други учени по света да повторят експеримента. Но уловката беше, че свещеникът провеждаше експерименти през деня. И, например, фармацевт Карл Шееле - през нощта, когато имаше свободно време. В резултат на това ученият обвини Пристли в измама, тъй като неговите експериментални субекти не издържали експеримента с растението.
Между химиците избухна истинска научна конфронтация, която донесе значителни ползи и даде възможност да се направи друго откритие - че растенията трябва да възстановяват въздуха, те се нуждаят от слънчева светлина.
Разбира се, тогава никой не нарече това явление фотосинтеза и все още имаше много въпроси. Въпреки това през 1782 г. ботаникът Жан Сенебиер успя да докаже, че при наличието на слънчева светлина растенията са в състояние да разграждат въглеродния диоксид на клетъчно ниво. И през 1864 г. най-накрая се появяват експериментални доказателства, че растенията абсорбират въглероден диоксид и произвеждат кислород. Това е заслугата на учения от Германия - Джулиус Сакс.