Фотосинтез

План:

1. Фотосинтез
2. Стадии фотосинтеза
3. Световые и темновые реакции
4. Изменения интенсивности фотосинтеза
5. Дневной ход изменений фотосинтеза
6. Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фотосинтез - это процесс, при котором световая энергия поглощается и используется на синтез восстановленных углеродсодержащих соединений из двуокиси углерода и воды. Этот процесс происходит только в освещенной зеленой ткани, потому что хлорофилл играет существенную роль в превращении световой энергии в химическую. Термин фотосинтез был предложен Чарльзом Рейдом Бансом из Чикагского университета в начале этого столетия. В Европе этот процесс часто называют ассимиляцией или ассимиляцией углерода. Большинство американских физиологов растений предпочитают употреблять термин ассимиляция, когда речь идет об образовании новых тканей из углеводов и азотистых соединений.

Значение  фотосинтеза нельзя переоценить, потому что вся энергия, содержащаяся в  нашей пище, накапливается прямо  или косвенно благодаря процессу фотосинтеза, а источником большей  части используемой энергии, на которой  работают заводы, являются горючие  ископаемые, где она была запасена посредством фотосинтеза в далеком  прошлом. Лит (1972, 1975) подсчитал, что  наземные растения образуют за год 100-109 т сухого вещества, из которых более 2/3 вырабатывают деревья. Общая энергия, ежегодно накапливаемая в растениях  при фотосинтезе, приблизительно в 100 раз превышает энергию, содержащуюся в угле, добываемом в течение года во всех шахтах мира. Хотя леса и занимают только 1/3 поверхности суши земного  шара, они вырабатывают около 2/3 сухого вещества, в то время как возделываемые  земли занимают приблизительно 9% и  дают только 9% сухого вещества.

Пока  человек не стал широко использовать уголь, большая часть потребляемой им тепловой энергии получалась от сжигания древесины. В настоящее  время древесина шире используется как строительный материал и источник получения бумаги, чем в качестве топлива, хотя интерес к последнему опять возрастает. Независимо от того, как используется древесина, необходимо помнить, что содержащиеся в ней энергия и сухое вещество накапливаются благодаря процессу фотосинтеза. В связи с этим рациональное ведение лесного хозяйства должно быть направлено на повышение количества продуктов фотосинтеза на единицу земной поверхности и эффективности их превращения в растительный материал.

Из  общего количества солнечного излучения, попадающего на нашу планету, лишь половина доходит до поверхности Земли, только 1/8 имеет длину волны, подходящую для фотосинтеза, и лишь 0,4 % таких  лучей (около 1 % от общего объёма энергии) используется растениями. Именно от этого  одного процента зависит вся жизнь  на Земле.

В процессе фотосинтеза углекислый газ  в присутствии хлорофилла реагирует  с водой; при этом образуется глюкоза  и выделяется кислород:

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2.

Более грамотной будет запись

CO2 + 2H2O → [CH2O] + O2 + H2O,

Которая показывает, что выделяющийся кислород образуется из воды. Похожим уравнением описывается и хемосинтез серобактерий:

CO2 + 2H2S → [CH2O] + 2S + H2O,

Первая  стадия фотосинтеза протекает на свету. Световые кванты дают электронам энергию, необходимую для переноса их от хлорофилла или другого фотосинтезирующего пигмента. В ходе первой стадии из АДФ (аденозиндифосфата) и фосфата синтезируется АТФ (аденозинтрифосфат), а НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) восстанавливается до НАДФ∙H2. Синтез АТФ за счёт энергии световых квантов называется фотофосфорилированием. Этот процесс может быть циклическим (в реакции «работают» одни и те же электроны) и нециклическим (электроны в конце концов доходят до НАДФ и, взаимодействуя с ионами водорода, образуют НАДФ∙H2). Кислород как побочный продукт реакции выделяется только во втором случае.

Для реакций второй стадии свет не нужен. Восстановление CO2 происходит за счет энергии АТФ и накопленного НАДФ∙H2. Углекислый газ связывается с пятиуглеродным сахаром рибулозобисфосфатом, образуя две молекулы трёхуглеродной фосфоглицериновой кислоты (ФГК). Такой процесс получил название C3-фотосинтеза. Последующий цикл реакций (цикл Кальвина) приводит к образованию из ФГК сахара (например, глюкозы), а также ресинтезу рибулозобисфосфата. У некоторых растений (например, сахарного тростника, сои) наблюдается так называемый C4-фотосинтез, в реакциях которого CO2, восстанавливаясь, включается в состав органических кислот, имеющих четыре атома углерода (например, яблочной). При этом поглощение углекислоты идёт гораздо эффективнее, повышается и продуктивность растений.

На  скорость фотосинтеза влияют многие факторы. Основными из них являются интенсивность света, концентрация кислорода и углекислого газа, температура окружающей среды. Состояние, когда скорость выделения кислорода  растением равна скорости его  дыхания, называется точкой компенсации.

Кислород  в процессе фотосинтеза может  действовать как конкурентный ингибитор, взаимодействуя с рибулозодисфосфатом вместо углекислого газа. При этом образуется одна молекула ФГК и фосфогликолат, сразу расщепляющийся до гликолата. Чтобы вернуть хотя бы часть углерода, связанного в бесполезном гликолате, у растения имеется процесс, называемыйфотодыханием. Это зависимое от света потребление кислорода с выделением углекислого газа, заметное лишь у C3-растений, не имеет ничего общего с обычным дыханием. Фотодыхание, в целом, идёт с поглощением энергии; в результате образуется фосфоглицерат, а 25 % углерода теряется в виде CO2. В фотодыхании участвуют хлоропласты, пероксисомы и митохондрии. У C4-растений фотодыхания практически нет, что и является причиной их большей продуктивности.

В связи с энергетической проблемой  учёные пытаются провести фотосинтетические  процессы искусственно, особенно их первые этапы, когда вода под действием  солнечной радиации расщепляется на кислород и водород. Сжигание водорода (с образованием воды) – экологически чистый процесс, который мог бы стать  неплохой заменой современным источникам энергии

СВЕТОВЫЕ И ТЕМНОВЫЕ РЕАКЦИИ

Фотосинтез  включает две фазы: фотохимическую, для которой требуется свет, и  химическую, протекающую в темноте.

Фотохимическая  фаза протекает очень быстро (за 0,00001 с). Первичная фотохимическая реакция не зависит от температуры, хотя транспорт электронов - процесс, зависящий от температуры. Темновая фаза происходит более медленно, приблизительно за 0,04 с при 25°С, замедляясь при низких температурах. Интенсивность фотосинтеза ограничивается реакцией, протекающей наиболее медленно. В связи с этим на ярком свету, когда ограничивающей является химическая фаза, процесс фотосинтеза чувствителен к температуре, а при слабой освещенности более вероятно, что ограничивающей становится фотохимическая фаза. При нормальных условиях освещения концентрация С02 чаще бывает ограничивающим фактором, чем температура, за исключением, возможно, вечнозеленых растений зимой. Большой интерес представляет поиск методов повышения эффективности фотосинтеза. Естественный отбор, действовавший в течение тысячелетий, создал согласованность биохимии и биофизики фотосинтеза, которую будет очень трудно улучшить в полевых условиях.

 

ИЗМЕНЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ФОТОСИНТЕЗА

Интенсивность фотосинтеза древесных растений широко варьирует в зависимости  от взаимодействия многих внешних и  внутренних факторов, причем эти взаимодействия изменяются во времени и различны у разных видов.

Фотосинтетическую способность иногда оценивают по чистому приросту сухой массы. Такие  данные имеют особое значение, потому что прирост представляет собой  среднее истинное увеличение массы  за большой промежуток времени в  условиях внешней среды, включающих обычные периодически наступающие  стрессы.

Некоторые виды покрытосеменных эффективно осуществляют фотосинтез как при низкой, так и при высокой интенсивности света. Многие голосеменные гораздо более продуктивны при высокой освещенности. Сравнение этих двух групп при низкой и высокой интенсивности света часто дает различное представление о фотосинтетической способности с точки зрения накопления питательных веществ. Кроме того, голосеменные часто накапливают некоторое количество сухой массы в период покоя, тогда как листопадные покрытосеменные теряют ее вследствие дыхания. Поэтому голосеменное растение с несколько более низкой интенсивностью фотосинтеза, чем листопадное покрытосеменное во время периода роста, может накапливать в течение года столько же или даже больше общей сухой массы благодаря гораздо большей продолжительности периода фотосинтетической активности.

ДНЕВНОЙ ХОД ИЗМЕНЕНИЙ ФОТОСИНТЕЗА

Ранним  утром светлого безоблачного теплого  дня фотосинтез идет слабо вследствие небольшой интенсивности света  и низкой температуры, несмотря на высокую  влажность листьев и высокую  концентрацию двуокиси углерода в межклетниках листьев. При повышении интенсивности  света, нагревании воздуха устьица  открываются, нетто-фотосинтез начинает быстро увеличиваться и может  достичь максимума до полудня. Часто  вслед за максимумом наступает полуденное понижение, которое может быть небольшим  или резким. Полуденная депрессия  нередко сменяется новым повышением фотосинтеза в более поздние  послеполуденные часы, а затем  окончательно снижается. Наблюдается  это, как правило, ранним вечером  вслед за уменьшением интенсивности  света и температуры. Вследствие изменений условий внешней среды  в разные дни и в пределах одного дня дневной ход фотосинтеза  часто значительно отклоняется  от описанного выше. Большинство дневных изменений фотосинтеза, за исключением полуденного понижения, хорошо взаимодействуют с изменениями интенсивности света.

Например, на открытом пространстве максимум интенсивности  фотосинтеза трех видов покрытосеменных  наблюдался в полдень и соответствовал максимуму интенсивности общей  солнечной радиации. Под пологом  леса интенсивность фотосинтеза  значительно изменялась в течение  дня. При этом наивысшая интенсивность  наблюдалась в солнечных бликах. Дневной ход фотосинтеза голосеменных был очень различным в облачные и в солнечные дни. Без затенения в пасмурные или облачные дни типичная картина была такой: интенсивность нетто-фотосинтеза возрастала, достигая максимума около полудня, затем или уменьшалась, или оставалась более или менее постоянной в течение 1-2 ч и попом понижалась. В ясные солнечные дни фотосинтез обычно быстро возрастал, достигал максимума между 9 и 12 ч утра, затем, до поздних послеполуденных часов, понижался. Позднее он вновь усиливался и достигал второго максимума, но значительно более низкого.

Причины дневных изменений фотосинтеза. Регуляция дневного хода фотосинтеза  под влиянием разнообразных внешних  и внутренних факторов очень сложна. Главными из внешних факторов являются, по-видимому, свет, температура, наличие  воды, содержание СО2 в воздухе и различные взаимодействия между ними. Внутреннюю регуляцию поглощения СО2 относили за счет разных причин: водного стресса, закрывания устьиц, чрезмерного дыхания, накопления конечных продуктов фотосинтеза и фотоокисления ферментов. Значение отдельных факторов, влияющих на поглощение СО2, нередко изменяется. Например, утром, когда клетки тургесцентны, повышение интенсивности фотосинтеза взаимосвязано с нагреванием воздуха и увеличением интенсивности света. Однако полуденный спад при наивысшей интенсивности света часто происходит, особенно в жаркие дни, вследствие слишком большой потери воды, сопровождаемой закрыванием устьиц.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

1.Лебедев С.И. Физиология растений – М.: Агропромиздат, 1988.. 

 2.Тарчевский И.А. Основы фотосинтеза. – М., 1977.

3. Клейтон Р. Фотосинтез. Физические механизмы и химические модели. М., 1984.

4. Якушкина Н.И. Физиология растений, М.: Просвещение, 1993. – 335с