5.1: Огляд фотосинтезу
Сонячна залежність та виробництво продуктів харчування
Деякі організми можуть здійснювати фотосинтез, тоді як інші не можуть. Автотроф – це організм, який може виробляти власну їжу. Грецькі корені слова autotroph означають «self» (auto ) «feeder» (troph ). Рослини є найвідомішими автотрофами, але існують і інші, включаючи певні види бактерій і водоростей (рис. \(\PageIndex\) ). Океанічні водорості вносять величезну кількість їжі та кисню до глобальних харчових ланцюгів. Рослини також є фотоавтотрофами, типом автотрофа, який використовує сонячне світло і вуглець з вуглекислого газу для синтезу хімічної енергії у вигляді вуглеводів. Всі організми, що здійснюють фотосинтез, вимагають сонячного світла. Малюнок \(\PageIndex\) : (а) Рослини, (б) водорості та (в) певні бактерії, звані ціанобактеріями, є фотоавтотрофами, які можуть здійснювати фотосинтез. Водорості можуть рости на величезних ділянках у воді, часом повністю покриваючи поверхню. (кредит a: Стів Хіллебранд, Служба риби та дикої природи США; кредит b: «евтрофікація та гіпоксія» /Flickr; кредит c: NASA; дані шкали від Метта Рассела) Гетеротрофи – це організми, нездатні до фотосинтезу, які повинні отримувати енергію та вуглець з їжі, споживаючи інші організми. Грецькі корені слова heterotroph означають «інший» (hetero ) «feeder» (troph ), що означає, що їх харчування походить від інших організмів. Навіть якщо харчовий організм є іншою твариною, ця їжа відслідковує своє походження назад до автотрофів та процесу фотосинтезу. Люди є гетеротрофами, як і всі тварини. Гетеротрофи залежать від автотрофів, прямо чи опосередковано. Олені і вовки – гетеротрофи. Олень отримує енергію, поїдаючи рослини. Вовк, що їсть оленя, отримує енергію, яка спочатку надходила від рослин, з’їдених цим оленем. Енергія в рослині надходила від фотосинтезу, і тому вона є єдиним автотрофом в даному прикладі (рис. \(\PageIndex\) ). Використовуючи ці міркування, вся їжа, яку їдять люди, також посилається на автотрофи, які здійснюють фотосинтез. Малюнок \(\PageIndex\) : Енергія, накопичена в молекулах вуглеводів від фотосинтезу, проходить через харчовий ланцюг. Хижак, який їсть цих оленів, отримує енергію, яка виникла в фотосинтезуючої рослинності, яку споживав олень. (Кредит: Стів ВанРіпер, Служба риби та дикої природи США)
БІОЛОГІЯ В ДІЇ: Фотосинтез в продуктовому магазині Основні продуктові магазини в Сполучених Штатах організовані в департаменти, такі як молочні продукти, м’ясо, продукти, хліб, крупи, і так далі. Кожен прохід містить сотні, якщо не тисячі, різних продуктів для покупців, щоб купити і споживати (Малюнок \(\PageIndex<3>\) ). Малюнок \(\PageIndex<3>\) : Фотосинтез – це походження продуктів, що входять до складу основних елементів раціону людини. (кредит: Асоціація Бразиліа де Супермеркадос) Хоча існує велика різноманітність, кожен елемент посилається на фотосинтез. М’ясо та молочні продукти пов’язані з фотосинтезом, оскільки тварин годували рослинною їжею. Хліб, крупи та макарони здебільшого походять із зерен, які є насінням фотосинтетичних рослин. А як щодо десертів і напоїв? Всі ці продукти містять цукор – основну молекулу вуглеводів, вироблену безпосередньо в результаті фотосинтезу. Зв’язок фотосинтезу застосовується до кожного прийому їжі та кожної їжі, яку споживає людина.
Основні структури та резюме фотосинтезу
Фотосинтез вимагає сонячного світла, вуглекислого газу і води в якості вихідних реагентів (рис. \(\PageIndex<4>\) ). Після завершення процесу фотосинтез вивільняє кисень і виробляє молекули вуглеводів, найчастіше глюкозу. Ці молекули цукру містять енергію, необхідну живим істотам, щоб вижити. Малюнок \(\PageIndex<4>\) : Фотосинтез використовує сонячну енергію, вуглекислий газ та воду для виділення кисню та отримання молекул цукру, що зберігають енергію. Складні реакції фотосинтезу можна узагальнити за допомогою хімічного рівняння, показаного на рис \(\PageIndex\) . Малюнок \(\PageIndex\) : Процес фотосинтезу можна представити рівнянням, в якому вуглекислий газ і вода виробляють цукор і кисень, використовуючи енергію сонячного світла. Хоча рівняння виглядає простим, багато кроків, які відбуваються під час фотосинтезу, насправді є досить складними, як у тому, що реакція, що узагальнює клітинне дихання, представляла багато індивідуальних реакцій. Перш ніж дізнатися подробиці того, як фотоавтотрофи перетворюють сонячне світло на їжу, важливо ознайомитися з задіяними фізичними структурами. У рослин фотосинтез відбувається переважно в листках, які складаються з безлічі шарів клітин і мають диференційовані верхню і нижню сторони. Процес фотосинтезу відбувається не на поверхневих шарах листа, а скоріше в середньому шарі, званому мезофілом (рис. \(\PageIndex\) ). Газообмін вуглекислого газу і кисню відбувається через невеликі, регульовані отвори, звані продихами. У всіх автотрофних еукаріотах фотосинтез відбувається всередині органели, званої хлоропластом. У рослин хлоропласт містять клітини існують в мезофілі. Хлоропласти мають подвійну (внутрішню і зовнішню) мембрану. Усередині хлоропласта знаходиться третя мембрана, яка утворює складені, дископодібні структури, звані тилакоїдами. Вбудовані в тилакоідную мембрану молекули хлорофілу – пігменту (молекули, що поглинає світло), через який починається весь процес фотосинтезу. Хлорофіл відповідає за зелений колір рослин. Тилакоїдна мембрана охоплює внутрішній простір, зване тилакоїдним простором. Інші типи пігментів також беруть участь у фотосинтезі, але хлорофіл на сьогоднішній день є найважливішим. Як показано на малюнку \(\PageIndex\) , стопка тилакоидов називається гранулом, а простір, що оточує гранул, називається стромою (не плутати з продихи, отвори на листках).
АРТ КОНК Малюнок \(\PageIndex\) : Не всі клітини листа здійснюють фотосинтез. Клітини в середньому шарі листа мають хлоропласти, які містять фотосинтетичний апарат. (кредитний «лист»: модифікація роботи Корі Занкер) У спекотний сухий день рослини закривають продихи, щоб зберегти воду. Який вплив це матиме на фотосинтез?
Дві частини фотосинтезу
Фотосинтез проходить у два етапи: світлозалежні реакції та цикл Кальвіна. У світлозалежних реакціях, які відбуваються у тилакоїдної мембрани, хлорофіл поглинає енергію від сонячного світла і потім перетворює її в хімічну енергію з використанням води. Світлозалежні реакції виділяють кисень з гідролізу води як побічний продукт. У циклі Кальвіна, який відбувається в стромі, хімічна енергія, отримана від світлозалежних реакцій, керує як захопленням вуглецю в молекулах вуглекислого газу, так і подальшим складанням молекул цукру. Дві реакції використовують молекули носія для транспортування енергії від однієї до іншої. Носії, які переміщують енергію від світлозалежних реакцій до реакцій циклу Кальвіна, можна вважати «повноцінними», оскільки вони приносять енергію. Після вивільнення енергії «порожні» енергоносії повертаються до світлозалежних реакцій для отримання більшої кількості енергії.
Резюме
Процес фотосинтезу трансформував життя на землі. Використовуючи енергію від сонця, фотосинтез дозволив живим істотам отримати доступ до величезної кількості енергії. Завдяки фотосинтезу живі істоти отримали доступ до достатньої кількості енергії, що дозволило їм розвивати нові структури та досягати біорізноманіття, яке очевидне сьогодні. Тільки певні організми, звані автотрофами, можуть здійснювати фотосинтез; їм потрібна присутність хлорофілу – спеціалізованого пігменту, який може поглинати світло і перетворювати світлову енергію в хімічну енергію. Фотосинтез використовує вуглекислий газ і воду для збору молекул вуглеводів (зазвичай глюкози) і виділяє кисень у повітря. Еукаріотичні автотрофи, такі як рослини та водорості, мають органели, звані хлоропластами, в яких відбувається фотосинтез.
Мистецькі зв’язки
Малюнок \(\PageIndex<6>\) : У спекотний сухий день рослини закривають продихи для економії води. Який вплив це матиме на фотосинтез? Відповідь Рівень вуглекислого газу (реагенту) впаде, а рівень кисню (продукту) підвищиться. В результаті швидкість фотосинтезу сповільниться.
Глосарій
автотроф організм, здатний виробляти власну їжу хлорофіл зелений пігмент, який захоплює світлову енергію, яка рухає реакції фотосинтезу хлоропласт органели, де відбувається фотосинтез гранум стопка тилакоидов, розташованих всередині хлоропласта гетеротроф організм, який споживає інші організми для їжі світлозалежна реакція перший етап фотосинтезу, де видиме світло поглинається з утворенням двох молекул, що несуть енергію (АТФ і НАДПХ) мезофіл середній шар клітин в листі фотоавтотроф організм, здатний синтезувати власні молекули їжі (накопичувати енергію), використовуючи енергію світла пігменту молекула, яка здатна поглинати світлову енергію стома отвір, що регулює газообмін і регулювання води між листям і навколишнім середовищем; множина: продихи строма наповнений рідиною простір, що оточує грану всередині хлоропласту, де відбуваються циклові реакції фотосинтезу Кальвіна тилакоїд дископодібна мембранна структура всередині хлоропласта, де світлозалежні реакції фотосинтезу відбуваються з використанням хлорофілу, вбудованого в мембрани
Дописувачі та атрибуції
8.1: Огляд фотосинтезу
Фотосинтез важливий для всього живого на землі; від нього залежать як рослини, так і тварини. Це єдиний біологічний процес, який може захоплювати енергію, яка походить у космічному просторі (сонячне світло), і перетворювати її в хімічні сполуки (вуглеводи), які кожен організм використовує для живлення свого метаболізму. Якщо коротко, то енергія сонячного світла захоплюється і використовується для підживлення електронів, які потім зберігаються в ковалентних зв’язках молекул цукру. Наскільки тривалими та стабільними є ці ковалентні зв’язки? Енергія, що видобувається сьогодні при спалюванні вугілля та нафтопродуктів, являє собою енергію сонячного світла, захоплену та накопичену фотосинтезом майже 200 мільйонів років тому.
Рослини, водорості і група бактерій під назвою ціанобактерії – єдині організми, здатні виконувати фотосинтез (рис. \(\PageIndex\) ). Оскільки вони використовують світло для виготовлення власної їжі, їх називають фотоавтотрофами (буквально «самогодівниці, що використовують світло»). Інші організми, такі як тварини, гриби та більшість інших бактерій, називаються гетеротрофами («інші годівниці»), оскільки вони повинні покладатися на цукри, що виробляються фотосинтетичними організмами для своїх енергетичних потреб. Третя дуже цікава група бактерій синтезує цукру, не використовуючи енергію сонячного світла, а шляхом вилучення енергії з неорганічних хімічних сполук; отже, їх називають хемоавтотрофами .
Рисунок \(\PageIndex\) : Фотоавтотрофи, включаючи (а) рослини, (b) водорості та (c) ціанобактерії синтезують свої органічні сполуки за допомогою фотосинтезу, використовуючи сонячне світло як джерело енергії. Ціанобактерії і планктонні водорості можуть рости на величезних ділянках у воді, часом повністю покриваючи поверхню. У (d) глибоководному вентиляційному отворі хемоавтотрофи, такі як ці (е) термофільні бактерії, захоплюють енергію з неорганічних сполук для отримання органічних сполук. Екосистема, що оточує вентиляційні отвори, має різноманітний масив тварин, таких як трубкові черв’яки, ракоподібні та восьминоги, які отримують енергію від бактерій. (кредит a: модифікація роботи Стіва Хіллебранда, Служба риби та дикої природи США; кредит b: модифікація роботи шляхом «евтрофікації та гіпоксії» /Flickr; кредит c: модифікація роботи НАСА; кредит d: Університет Вашингтона, NOAA; кредит e: модифікація роботи Марка Аменд, Західне узбережжя та полярні регіони Центр підводних досліджень, УАФ, NOAA)
Важливість фотосинтезу полягає не тільки в тому, що він може захоплювати енергію сонячного світла. Ящірка, що засмагає себе в холодний день, може використовувати енергію сонця для прогріву. Фотосинтез життєво важливий, оскільки він еволюціонував як спосіб зберігання енергії в сонячному випромінюванні (частина «фото-») як електрони високої енергії в вуглецево-вуглецевих зв’язках молекул вуглеводів (частина «-синтезу»). Ці вуглеводи є джерелом енергії, яке гетеротрофи використовують для живлення синтезу АТФ за допомогою дихання. Тому фотосинтез забезпечує 99 відсотків екосистем Землі. Коли верхній хижак, такий як вовк, полює на оленя (рис. \(\PageIndex\) ), Вовк знаходиться в кінці енергетичного шляху, який йшов від ядерних реакцій на поверхні сонця, до світла, до фотосинтезу, до рослинності, до оленів і, нарешті, до вовка.
Малюнок \(\PageIndex\) : Енергія, що зберігається в молекулах вуглеводів від фотосинтезу, проходить через харчовий ланцюг. Хижак, який їсть цих оленів, отримує частину енергії, яка виникла в фотосинтетичної рослинності, яку споживав олень. (кредит: модифікація роботи Стіва ВанРіпера, Служби рибної та дикої природи США)
Основні структури та резюме фотосинтезу
Фотосинтез – це багатоступінчастий процес, який вимагає сонячного світла, вуглекислого газу (який мало енергії) та води в якості субстратів (рис. \(\PageIndex\) ). Після завершення процесу він виділяє кисень і виробляє гліцеральдегід-3-фосфат (GA3P), прості молекули вуглеводів (які мають високу енергію), які згодом можуть бути перетворені в глюкозу, сахарозу або будь-яку з десятків інших молекул цукру. Ці молекули цукру містять енергію та напружений вуглець, який потрібен усім живим істотам, щоб вижити.
Малюнок \(\PageIndex\) : Фотосинтез використовує сонячну енергію, вуглекислий газ та воду для отримання вуглеводів, що накопичують енергію. Кисень утворюється як відпрацьований продукт фотосинтезу.
Нижче наведено хімічне рівняння фотосинтезу (рис. \(\PageIndex\) ):
Малюнок \(\PageIndex\) : Основне рівняння для фотосинтезу оманливо просте. Насправді процес проходить у багато етапів із залученням проміжних реагентів та продуктів. Глюкоза, основне джерело енергії в клітині, виготовляється з двох тривуглецевих Ga3ps.
Хоча рівняння виглядає простим, багато кроків, які відбуваються під час фотосинтезу, насправді досить складні. Перш ніж дізнатися подробиці того, як фотоавтотрофи перетворюють сонячне світло в їжу, важливо ознайомитися з задіяними структурами.
У рослин фотосинтез зазвичай відбувається в листі, які складаються з декількох шарів клітин. Процес фотосинтезу відбувається в середньому шарі, званому мезофілом . Газообмін вуглекислого газу та кисню відбувається через невеликі регульовані отвори, звані продихами (сингулярні: стома), які також відіграють роль у регулюванні газообміну та водного балансу. Продихи, як правило, розташовані на нижній стороні листа, що допомагає мінімізувати втрати води. Кожна стома фланкується захисними клітинами, які регулюють відкриття і закриття продихів шляхом набухання або скорочення у відповідь на осмотичні зміни.
У всіх автотрофних еукаріотів фотосинтез відбувається всередині органели, званої хлоропластом . Для рослин в мезофілі існують клітини, що містять хлоропласт. Хлоропласти мають подвійну мембранну оболонку (складається з зовнішньої мембрани і внутрішньої мембрани). Усередині хлоропласту укладені дископодібні структури, звані тилакоїдами . У тилакоїдну мембрану вбудований хлорофіл, пігмент (молекула, яка поглинає світло), що відповідає за початкову взаємодію між світлом і рослинним матеріалом, і численні білки, що складають ланцюг транспорту електронів. Тилакоїдна мембрана охоплює внутрішній простір, званий тилакоїдним просвітом . Як показано на малюнку \(\PageIndex\) , стопка тилакоїдів називається гранумом , а заповнене рідиною простір, що оточує грануму, називається стромою або «ліжком» (не плутати зі стомою або «ротом», отвором на епідермісі листа).
Малюнок \(\PageIndex\) : Фотосинтез відбувається в хлоропластах, які мають зовнішню мембрану і внутрішню мембрану. Стеки тилакоїдів, звані грана, утворюють третій мембранний шар.
У спекотний сухий день рослини закривають продихи, щоб зберегти воду. Який вплив це матиме на фотосинтез?
Дві частини фотосинтезу
Фотосинтез відбувається в дві послідовні стадії: світлозалежні реакції і світлозалежні реакції. У світлозалежних реакціях енергія сонячного світла поглинається хлорофілом, і ця енергія перетворюється в накопичену хімічну енергію. У незалежних від світла реакціях хімічна енергія, отримана під час світлозалежних реакцій, призводить до складання молекул цукру з вуглекислого газу. Тому, хоча світлонезалежні реакції не використовують світло як реагент, вони вимагають функціонування продуктів світлозалежних реакцій. Крім того, кілька ферментів світлонезалежних реакцій активуються світлом. Світлозалежні реакції використовують певні молекули для тимчасового зберігання енергії: вони називаються енергоносіями. Енергоносії, які переміщують енергію від світлозалежних реакцій до світлонезалежних реакцій, можна вважати «повноцінними», оскільки вони багаті енергією. Після вивільнення енергії «порожні» енергоносії повертаються до світлозалежної реакції для отримання більшої кількості енергії. Малюнок \(\PageIndex\) ілюструє компоненти всередині хлоропласту, де відбуваються світлозалежні та незалежні від світла реакції.
Малюнок \(\PageIndex\) : Фотосинтез відбувається в два етапи: світлозалежні реакції і цикл Кальвіна. Світлозалежні реакції, які відбуваються в тилакоїдної мембрані, використовують світлову енергію для отримання АТФ і НАДПГ. Цикл Кальвіна, який відбувається в стромі, використовує енергію, отриману з цих сполук, щоб зробити GA3P з СО 2.
Перейдіть за посиланням, щоб дізнатися більше про фотосинтез.
Щоденне підключення: фотосинтез в продуктовому магазині
Малюнок \(\PageIndex\) : Їжа, яку споживає людина, походить від фотосинтезу. (кредит: Бразильська асоціація де Супермеркадос)
Великі продуктові магазини в Сполучених Штатах організовані у відділи, такі як молочні продукти, м’ясо, продукти, хліб, крупи тощо. Кожен прохід (рис. \(\PageIndex\) ) містить сотні, якщо не тисячі, різних продуктів, які клієнти можуть купувати та споживати.
Хоча існує велика різноманітність, кожен елемент посилається назад на фотосинтез. М’ясо і молочна ланка, тому що тварин годували рослинною їжею. Хліб, злаки та макарони походять здебільшого з крохмалистих зерен, які є насінням рослин, залежних від фотосинтезу. А як щодо десертів і напоїв? Всі ці продукти містять цукор—сахароза – рослинний продукт, дисахарид, молекула вуглеводів, яка будується безпосередньо з фотосинтезу. Більше того, багато предметів менш очевидно походять від рослин: наприклад, паперові вироби, як правило, рослинні продукти, а багато пластмас (рясні як продукти та упаковка) походять з водоростей. Практично кожна спеція та ароматизатор у проході прянощів вироблялася рослиною у вигляді листа, кореня, кори, квітки, фруктів або стебла. Зрештою, фотосинтез з’єднується з кожним прийомом їжі та кожною їжею, яку споживає людина.
Резюме
Процес фотосинтезу трансформував життя на Землі. Використовуючи енергію від сонця, фотосинтез еволюціонував, щоб забезпечити живим істотам доступ до величезної кількості енергії. Завдяки фотосинтезу живі істоти отримали доступ до достатньої кількості енергії, що дозволило їм будувати нові структури та досягти очевидного сьогодні біорізноманіття.
Тільки певні організми, звані фотоавтотрофами, можуть виконувати фотосинтез; вони вимагають наявності хлорофілу, спеціалізованого пігменту, який поглинає певні ділянки видимого спектру і може захоплювати енергію від сонячного світла. Фотосинтез використовує вуглекислий газ і воду для збору молекул вуглеводів і виділення кисню як відходів в атмосферу. Еукаріотичні автотрофи, такі як рослини та водорості, мають органели, звані хлоропластами, в яких відбувається фотосинтез, а крохмаль накопичується. У прокаріотів, таких як ціанобактерії, процес менш локалізований і відбувається всередині складчастих мембран, розширень плазматичної мембрани, і в цитоплазмі.
Мистецькі зв’язки
Малюнок \(\PageIndex\) : У спекотний сухий день рослини закривають продихи для збереження води. Який вплив це матиме на фотосинтез?
Рівні вуглекислого газу (необхідного фотосинтетичного субстрату) відразу впадуть. В результаті швидкість фотосинтезу буде гальмуватися.