Фотосинтез як головний процес в рослинних організмах - Космічна роль зелених рослин
З появою автотрофних організмів, насамперед зелених рослин, став можливим синтез органічних речовин з неорганічних сполук завдяки використанню сонячної енергії (космічна роль рослин), а отже, існування і подальший розвиток життя.
З виникненням фотосинтезу відбулася дивергенція органічного світу в двох напрямках, які відрізнялися способом живлення (автотрофні і гетеро-трофні організми). Завдяки появі автотрофних фотосинтезуючих організмів вода й атмосфера почали збагачуватися на вільний кисень. Це стало перед-умовою появи аеробних організмів, здатних до ефективнішого використання енергії в процесі життєдіяльності. Нагромадження кисню зумовило утво-рення у верхніх шарах атмосфери озонового екрана, який не пропускав згубного для життя ультрафіолетового випромінювання. Це забезпечило можливість виходу життя на суходіл. Поява фотосинтезуючих рослин, у свою чергу, забезпечила можливість існування і прогресивного розвитку ге-теротрофних організмів.
Хлорофіл має здатність досить ефективно поглинати променисту енергію і передавати її іншим молекулам. Завдяки цій здатності хлорофіл є єдиною структурою на Землі, яка забезпечує процес фотосинтезу.
Фотосинтезом називають процес синтезу органічних сполук з неорганічних (СО2 та Н2С2) який відбувається з використанням променистої енергії Сонця за участю хлорофілу.
Цей складний і багаттоступінчастий процес (мал. 9) розпочинається з поглинання квантів світла молекулою хлорофілу. Зелений колір його зумовлений поглинанням переважно червоних і фіолетових променів сонячного спектра. З моменту поглинання сонячного світла хлорофілом розпочинається світлова стадія фотосинтезу.
Під впливом фотонів світла відбувається збудження молекули хлорофілу, причому рівні збудження можуть бути різними. Суть цього процесу полягає в тому, що електрони в молекулі хлорофілу переходять на вищий енергетичний рівень, нагромаджуючи потенціальну енергію. Частина з них відразу повертається на попередній рівень, а енергія, яка виділяється при цьому, випромінюється у вигляді теплоти. Значна частина електронів з високим рівнем енергії передає її іншим хімічним сполукам для виконання фотохімічної роботи, яка здійснюється в кількох основних напрямках.
- 1. Перетворення енергії електронів на енергію АТФ: АДФ.4 Ф + Енергія > АТФ. Оскільки приєднання залишків фосфорної кислоти відбува-ється за рахунок енергії світла, цей процес називається фотофосфорилю-ванням. 2. Перебіг процесу фотолізу води: Н2О > Н+ + ОН-. У результаті іони Н+, приєднуючи електрони з високим енергетичним рівнем, перетворюються на атомарний водень, який використовується в наступних реакціях фотосинтезу, а гідроксильні іони, взаємодіючи між собою, утворюють молекулярний кисень, воду і вільні електрони: 3. Передача енергії електронами з високим енергетичним рівнем через низку проміжних речовин для відновлення універсального біологічного переносника (акцептора) водню НАДФ (нікотинамідаденіндинуклеотид-фосфат). Внаслідок поглинання енергії НАДФ приєднує два атоми водню, що вивільнились у процесі фотолізу води, і перетворюється на НАДФ * Н2 (відновлена сполука). Отже, для світлової стадії фотосинтезу характерне перетворення енергії - збудження електронів хлорофілу, фотоліз води, утво-рення АТФ і відновлення НАДФ.
Далі настає темнова стадія фотосинтезу, для перебігу якої світло не потрібне. За наявності вуглекислого газу та енергії АТФ, що утворилися вна-слідок перебігу світлових реакцій, відбувається приєднання водню до CO2, який надходить у хлоропласти із зовнішнього середовища. Відбуваються послідовні реакції за участю специфічних ферментів, внаслідок чого утворю-ються різні сполуки, серед яких перше місце посідають вуглеводи.
Фототрофи використовують для синтезу органічних сполук енергію світла. Процес утворення органічних сполук із неорганічних завдяки перетворенню світлової енергії в енергію хімічних зв'язків називають фотосинтезом. До фототрофних організмів належать зелені рослини (вищі рослини, водорості), деякі тварини (рослинні джгутикові), а також деякі прокаріоти -- ціанобактерії, пурпурові та зелені сіркобактерії.
Основними з фотосинтезуючих пігментів є хлорофіли. За своєю структурою вони нагадують гем гемоглобіну, але в цих сполуках замість заліза присутній магній. Залізо потрібне рослинним організмам для забезпечення синтезу молекул хлорофілу (якщо в рослину залізо не надходить, то в неї утворюються безбарвні листки, нездатні до фотосинтезу).
Більшість фотосинтезуючих організмів має різні хлорофіли хлорофіл а (обов'язковий), хлорофіл Ь (у зелених рослин), хлорофіл с (у діатомових і бурих водоростей), хлорофіл d (у червоних водоростей). Зелені й пурпурові бактерії містять особливі бактеріохлорофіли.
В основі фотосинтезу лежить окиснювально-відновний процес, пов'язаний із перенесенням електронів від сполук постачальників електронів (донорів) до сполук, які їх сприймають (акцепторів), з утворенням вуглеводів і виділенням в атмосферу молекулярного кисню. Світлова енергія перетворюється на енергію синтезованих органічних сполук (вуглеводів) в особливих структурах - реакційних центрах, що містять хлорофіл а.
У процесі фотосинтезу у зелених рослин і ціанобактерій беруть участь дві фотосистеми -- перша (І) та друга (II), які мають різні реакційні центри та пов'язані між собою через систему перенесення електронів.
Процес фотосинтезу відбувається в дві фази -- світлову та темнову. У світлову фазу, реакції якої перебігають у мембранах особливих структур хлоропластів - тилакоїдів за наявності світла фотосинтезуючі пігменти вловлюють кванти світла (фотони). Поглинання фотонів приводить до "збудження" одного з електронів молекули хлорофілу, який за допомогою молекул -- переносників електронів переміщується на зовнішню поверхню мембрани тилакоїдів, набуваючи певної потенційної енергії.
У фотосистемі І цей електрон може повертатись на свій енергетичний рівень і відновлювати її, а може передаватись такій сполуці, як НАДФ (нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат). Електрони, взаємодіючи з іонами водню, які є в навколишньому середовищі, відновлюють цю сполуку:
Нагадаймо, що коли певна сполука віддає електрон -- вона окиснюється, а коли приєднує -- відновлюється. Відновлений НАДФ (НАДФ Н2) згодом постачає водень, потрібний для відновлення атмосферного СО2 до глюкози (тобто сполуки, в якій запасається енергія).
Подібні процеси відбуваються й у фотосистемі II. Збуджені електрони, повертаючись на свій енергетичний рівень, можуть передаватись фотосистемі І і таким чином п відновлювати. Фотосистема II відновлюється за рахунок електронів, які постачають молекули води. Під дією світла за участю ферментів молекули води розщеплюються (фотоліз води) на протони водню та молекулярний кисень, який виділяється в атмосферу, а електрони використовуються на відновлення фотосистеми II:
Енергія, вивільнена при поверненні електронів із зовнішньої поверхні мембрани тилакоїдів на попередній енергетичний рівень, запасається у вигляді хімічних зв'язків молекул АТФ, які синтезуються під час реакцій в обох фотосистемах. Деяка її частина витрачається на випаровування води. Таким чином, під час світлової фази фотосинтезу утворюються багаті на енергію (яка запасається у вигляді хімічних зв'язків) сполуки: синтезується АТФ і відновлюється НАДФ. Як продукт фотолізу води в атмосферу виділяється молекулярний кисень.
Реакції темпової фази фотосинтезу перебігають у внутрішньому середовищі (матриксі) хлоропластів як на світлі, так і за його відсутності. Як згадувалося раніше, в ході реакцій темпової фази С02 відновлюється до глюкози завдяки енергії, що вивільнюється при розщепленні АТФ, та за рахунок відновленого НАДФ.
Сполукою, яка сприймає атмосферний СО2, є рибульозобіфосфат (п'ятивуглецевий цукор, сполучений із двома залишками фосфорної кислоти). Процес приєднання СО2 каталізує фермент карбоксилаза. Внаслідок складних і багатоступеневих хімічних реакцій, кожну з яких каталізує свій специфічний фермент, утворюється кінцевий продукт фотосинтезу -- глюкоза, а також відновлюється акцептор СО2, - рибульозобіфосфат. З глюкози в клітинах рослин можуть синтезуватися полісахариди -- крохмаль, целюлоза тощо.
Підсумкове рівняння процесу фотосинтезу у зелених рослин має такий вигляд:
У фотосинтезуючих прокаріот е певні відмінності у перебігу світлової та темнової фаз фотосинтезу. У прокаріот відсутні пластиди, тому фотосинте-зуючі пігменти розташовані на внутрішніх виростах цитоплазма-тичної мембрани, де і відбуваються реакції світлової фази. У зелених і пурпурових бактерій, на відміну від ціанобактерій, немає фотосистеми II, постачальником електронів є не вода, а сірководень, молекулярний водень та деякі Інші сполуки. Внаслідок цього у цих груп бактерій під час фотосинтезу кисень не виділяється.
Значення фотосинтезу для біосфери важко переоцінити. Саме завдяки цьому процесові вловлюється світлова енергія Сонця. Фотосинтезуючі орга-нізми перетворюють її на енергію хімічних зв'язків синтезованих вуглеводів, а потім по ланцюгах живлення вона передається гетеротрофним організмам.
Отже, не буде перебільшенням вважати, що саме завдяки фотосинтезу можливе існування біосфери. Зелені рослини та ціанобактерії, поглинаючи вуглекислий газ і виділяючи кисень, впливають на газовий склад атмосфери. Увесь атмосферний кисень має фотосинтетичне походження. Щорічно завдяки фотосинтезу на Землі синтезується близько 150 млрд тонн органічної речовини і виділяється понад 200 млрд тонн вільного кисню, який не тільки забезпечує дихання організмів, але й захищає все живе на Землі від згубного впливу короткохвильових ультрафіолетових космічних променів (озоновий екран атмосфери).
Але загалом процес фотосинтезу малоефективний. У синтезовану органічну речовину переводиться лише 1-2% сонячної енергії. Це поясню-ється неповним поглинанням світла рослинами, а також тим, що частина сонячного світла відбивається від поверхні Землі назад у космос, поглинається атмосферою тощо. Продуктивність процесу фотосинтезу зростає за умов кращого водопостачання рослин, їхнього оптимального освітлення, забезпечення вуглекислим газом, завдяки селекції сортів, спрямованій на підвищення ефективності фотосинтезу тощо. Однією з найпродуктивніших культурних рослин вважають кукурудзу, в якої досить високий коефіцієнт корисної дії фотосинтезу.
Вагомий внесок у вивчення ролі світла і хлорофілу в процесі фотосинтезу зробив видатний російський вчений К. А. Тимірязєв. За його словами, зелені рослини відіграють космічну роль завдяки тому, що вони здатні засвоювати сонячну енергію. Ця енергія, акумульована в органічних речовинах, використовується всіма живими організмами нашої планети.
Шляхи підвищення продуктивності фотосинтезу. Складні біохімічні процеси, які відбуваються під час світлової і темнової стадії фотосинтезу, зумовлюють і складний характер залежності цієї функції від умов життя рослини. На інтенсивність процесу фотосинтезу впливають як комплекс зовнішніх факторів - освітленість, температура середовища, вміст вуглекис-лого газу, вологість тощо, так і біологічні особливості рослин, специфіка їхньої реакції на зовнішні впливи. Ось чому процес фотосинтезу слід розгля-дати як результат взаємодії всього комплексу внутрішніх і зовнішніх чинни-ків у життєдіяльності рослин.
Щодо освітленості, температури, вологості потреби різних видів рослин дуже відрізняються - є світлолюбні і тіневитривалі види, теплолюбні, холодостійкі, посухостійкі види тощо. Проте можна зазначити, що для більшості видів рослин інтенсивність фотосинтезу посилюється з підвищен-ням температури і досягає максимуму за температури 25°С, вмісту СО2 близько 1% і насичення водою. Подальше зростання цих показників може лослаблювати інтенсивність фотосинтезу. Підвищення інтенсивності соняч-ного освітлення від 1 до 30% (від максимального) спричинює значне поси-лення інтенсивності фотосинтезу в усіх вищих рослин, а подальше підвищен-ня інтенсивності освітлення посилює фотосинтез лише у світлолюбних рослин.
Фотосинтез -- це основний процес утворення органічних речовин, що в поєднанні з асиміляцією мінеральних солей із грунту створює біомасу рослин. Органічні речовини, що утворюються в процесі фотосинтезу, станов-лять близько 95% сухої маси рослини. Тому керування процесом фотосин-тезу, підвищення його продуктивності -- один із ефективних методів впливу на продуктивність рослин, а для сільськогосподарських культур - це важли-вий засіб підвищення врожаю. Розроблено комплекс агротехнічних заходів, які дають змогу впливати на процес фотосинтезу. До них належить забезпе-чення потреб рослини водою і мінеральними солями, у тому числі мікроеле-ментами (міддю, цинком тощо), від яких залежить продуктивність роботи всього фотосинтезуючого апарату рослин.
Дуже ефективним методом є підвищення вмісту СО2 шляхом поли-вання рослин водою, яка насичена вуглекислим газом. Важливим є також правильне розміщення рослин та густоти посіву їх. Цей метод дає змогу запобігти самозатіненню рослин і використати максимальну площу їхніх листків. Велику роль в ефективності використання сільськогосподарськими культурами сонячної енергії відіграє селекція - створення посухостійких сор-тів, які мають високі інтенсивності фотосинтезу і ростових процесів.
З часом органічні речовини, які утворилися в первісному океані абіо-генним шляхом, почали вичерпуватись. З появою автотрофних організмів, насамперед зелених рослин, став можливим синтез органічних речовин з неорганічних сполук завдяки використанню сонячної енергії (космічна роль рослин), а отже, існування і подальший розвиток життя.
З виникненням фотосинтезу відбулася дивергенція органічного світу в двох напрямках, які відрізнялися способом живлення (автотрофні і гетеро-трофні організми). Завдяки появі автотрофних фотосинтезуючих організмів вода й атмосфера почали збагачуватися на вільний кисень. Це стало передумовою появи аеробних організмів, здатних до ефективнішого використання енергії в процесі життєдіяльності. Нагромадження кисню зумовило утворення у верхніх шарах атмосфери озонового екрана, який не пропускав згубного для життя ультрафіолетового випромінювання. Це забезпечило можливість виходу життя на суходіл. Поява фотосинтезуючих рослин, у свою чергу, забезпечила можливість існування і прогресивного розвитку гетеротрофних організмів.
Фотосинтез має велике значення для існування біосфери. Зелені рослини завдяки фотосинтезу щорічно вносять до складу органічних речовин близько 170 млрд. т вуглецю, здатні поновити увесь кисень атмосфери приблизно за 2 тис. років і увесь вуглекислий газ -- за 300 років. Проте в процесі фотосинтезу використовується лише 1% усієї сонячної енергії, яка потрапляє на рослини.
Метеорит планета фотосинтез рослинний
Похожие статьи
-
Інструментальні пошуки позаземного життя - Космічна роль зелених рослин
Зараз учені приділяють велику увагу підготовці до досліджень, які дозволять з'ясувати, чи існують мікроскопічні живі істоти на інших планетах. З цією...
-
Вступ, Мікробіологічні дослідження метеоритів - Космічна роль зелених рослин
Успіхи сучасної науки і техніки призвели до того, шо у 1969 році людина вперше висадилася на Місяці. З упевненістю можна припустити, що вже через кілька...
-
Стерилізація космічних кораблів - Космічна роль зелених рослин
Висока стійкість земних мікробів до екстремальних факторів і надзвичайно сильно виражена їх здатність до пристосування примушує з усією серйозністю...
-
Пристосування мікроорганізмів до екстремальних умов - Космічна роль зелених рослин
Фізичні і хімічні умови на Марсі суворі порівняно із земними. Проте вони досить "м'які", якщо їх зіставити з умовами на деяких інших планетах і в...
-
Моделювання умов, що існують на інших планетах - Космічна роль зелених рослин
Одним із способів розв'язання питання про можливість життя на інших планетах е спосіб штучного відтворення в лабораторіях фізичних і хімічних умов, що...
-
Роль гіпотез в організації соц. дослідження, їх види - Шпаргалки з соціології
Гіпотеза - це обгрунтоване припущення щодо пояснення будь-яких фактів, явищ, процесів, причин, чинників та тенденцій їх розвитку, яке потребує...
-
Вступ - Космічні літальні апарати
Світовий простір, який оточує Землю, називають грецьким словом космос . У повсякденному житті під цим поняттям розуміють простір поза межами земної...
-
Эффективность обеспечения правопорядка во многом зависит от непосредственной связи милиции с трудовыми коллективами, населением и средствами массовой...
-
Космічні інтерферометри - Застосування адаптивної оптики в астрономії
Особливо перспективно використання в телескопах нового покоління методу інтерферометрії з великою базою. Цим методом можна вимірювати кутові діаметри...
-
Штучні супутники відкрили нову еру в науці про вимір Землі - еру космічної геодезії. Вони внесли до геодезію нову якість - глобальність; завдяки великим...
-
1853-1881. Винахідник. Революціонер-народник. Випускник Новгород-Сіверської гімназії. Учився в Інституті інженерів шляхів сполучення (1871-1873) і...
-
Пологові травми внутрішніх органів - Пологові травми новонароджених
Пологова травма внутрішніх органів зустрічається рідко й, зазвичай, є наслідком механічних впливів на плід при неправильному віданні пологів, наданні...
-
В качестве исходных представлений при интерпретации экзобиологических экспериментов необходимо принимать во внимание динамические свойства живых систем....
-
Сергій Павлович Корольов (1907-1966) - Космонавтика. Космічний корабель. Космодром
Сергій Павлович Корольов - конструктор перших ракетно-космічних систем. Він народився на Україні, в місті Житомирі, в родині вчителя. С. П. Корольов...
-
Космодром - Космонавтика. Космічний корабель. Космодром
Земні шляхи ракет закінчуються на космодромах. Тут ракети та космічні апарати збирають воєдино з окремих частин, перевіряють, готують до пуску і,...
-
Космічний корабель - Космонавтика. Космічний корабель. Космодром
Космічний корабель - це літальний апарат, призначений для польоту людей або перевезення вантажів у космічному просторі. Космічні кораблі для польоту з...
-
Космічні системи зв'язку - Використання космічних апаратів в інтересах людства
Використання космічної техніки істотно підвищило ефективність системи зв'язку, дозволило зв'язати між собою всі куточки земної кулі, дало змогу широко...
-
Генеральний конструктор космічних кораблів - Розвиток космонавтики в Україні
Щоб розрахунки і формули втілилися в реальні космічні апарати, щоб людина змогла справді відірватися від землі і вийти у космічний простір, мав прийти...
-
Ответ: Ближе к весне, когда днем начинает пригревать солнце, а ночью подмораживает, на снежной поверхности образуется смерзшая ледяная корка - наст....
-
Сутність соціальних технологій, їх роль в управлінні соціальними процесами - Шпаргалки з соціології
Більшість керівників на Заході мають певну управлінську, соціологічну, психологічну та іншу підготовку необхідну при прийняті управлінських рішень....
-
Космічні кораблі-супутники - Космічні літальні апарати
Космічний орбіта ракета супутник Назва п'яти важких автоматичних штучних супутників Землі, запущених у Радянському Союзі в 1960-1961 p. з метою...
-
Космічний корабель (КК) - Космічні літальні апарати
Літальний апарат для польотів у космос людини. Від інших типів космічних літальних апаратів KK відрізняється наявністю герметичної кабіни з...
-
Вступ - Освоєння космічного простору
Серед найважливіших завоювань людства дослідження та освоєння космічного простору займають одне з провідних місць. 4 жовтня 1957 р. пролунали сигнали...
-
Класифікація - Космічні літальні апарати
Ракети-носії класифікують за кількістю ступенів (одноступінчасті, двоступінчасті і т. д.). Їх також можна розділити на одноразові й багаторазові....
-
Історія - Космічні літальні апарати
Більшість перших запускаємих ракет, розроблених наприкінці п'ятдесятих років 20-го століття, була отримана з шляхом незначної модернізації військових...
-
Космічна ракета - Космічні літальні апарати
Космічна ракета - багатоступінчаста ракета для виведення космічних апаратів (штучних супутників Землі, АС, космічних кораблів) на орбіту супутника Землі...
-
Перший штучний супутник землі - Космічні літальні апарати
Ще в 1955 р. за ініціативи С. П. Корольова була запропонована ідея запуску штучного супутника. На той час уже був готовий підходящий ракетоносій Р-7....
-
ЛИПА (11.03-20.03; 13.09) Нечувано чарівна і вміє своєю чарівністю користатися. Може кожному закрутити голову. Мріє про стабільне, забезпечене, повне...
-
Закінчив МВТУ ім. М. Баумана, його дипломним проектом керував А. Н. Туполев. Член-кореспондент АН СРСР по Відділенню технічних наук (механіка)...
-
"Административная деятельность органов внутренних дел" представляет собой одну из специальных дисциплин, изучаемых в вузах МВД России юридического...
-
Ціолковський ракетний літальний космонавтика У селі Іжевське Рязанської губернії в родині лісничого народився Костянтин Едуардович Ціолковський....
-
Методи в соціології - це спосіб здобуття, побудови та обгрунтування соц. знань, сукупність прийомів, процедур, операцій емпіричного, досвідного та...
-
Товарищеские суды. Это выборные органы общественной самодеятельности, призванные активно содействовать воспитанию граждан в духе добросовестного...
-
Охрана общественного порядка и обеспечение общественной безопасности, соблюдение законности и укрепление правопорядка в стране немыслимы без участия в...
-
Костянтин Едуардович Ціолковський (1857-1935) - Космонавтика. Космічний корабель. Космодром
"Ракета для мене тільки спосіб, тільки метод проникнення в глибину космосу, але аж ніяк не самоціль... Буде інший спосіб пересування в космосі, - прийму...
-
Космонавтика - Космонавтика. Космічний корабель. Космодром
У своїх мріях, відображених у казках, легендах, фантастичних романах, людство здавна прагнуло в космос; про це свідчать і численні (як правило,...
-
Метеорологічні системи - Використання космічних апаратів в інтересах людства
Безліч причин ускладнює точне передбачення погоди. У кінцевому рахунку практично всі явища в атмосфері пов'язані з перетвореннямиодержуваної Землею...
-
КИПАРИС (25.01-03.02; 26.07-04.08) Стрункий, міцний, з нагостреним, сильним силуетом і простими правильними рисами. Є в ньому щось суворе, щось від...
-
Під знаком Інжиру народилися: Г. Гейне, Бетховен, Стравінський, Б. Брандт, Ф. Гарсія Лорка, Григ, Едіт Піаф. ЯБЛУНЯ (23.12-01.01; 25.06-04.07) Рідко...
-
Організаційну структуру соціологічної роботи в Україні репрезентують: - Шпаргалки з соціології
Установи Академії Наук України, що здійснюють розробку загальних теоретико-методичних і галузевих соціологічних проблем; Центри вивчення громадської...
Фотосинтез як головний процес в рослинних організмах - Космічна роль зелених рослин