Мы не можем напрямую усваивать энергию солнечного излучения, да и вообще никто из животных, за исключением некоторых бактерий, на это не способен. Энергию Солнца впитывают растения. В процессе фотосинтеза, с помощью солнечной энергии, растения образуют нужные им органические вещества из неорганических – воды, углекислого газа, азота, кислорода, минеральных солей. Возможность фотосинтеза обеспечивает пигмент хлорофилл, который заодно придает растениям зеленую окраску.
«Куда растения девают солнечную энергию?» любят спрашивать экзаменаторы.
Вопрос очень простой, но в тоже время сложный и, как говорится, с подковыркой. Можно начать перечислять те вещества, которые растения синтезируют с использованием солнечной энергии, можно просто сказать, что они используют эту энергию для роста, но правильный ответ такой: «Растения (а также содержащие хлорофилл бактерии) преобразуют солнечную энергию в химическую энергию органических соединений».
Давайте познакомимся с фотосинтезом поближе, ведь это самый важный процесс на нашей планете. Без фотосинтеза не было бы растений, а без растений не было бы животных, которые питаются растениями или же другими животными, но в конечном итоге первичным источником пищи всегда являются растения.
В основе процесс фотосинтеза лежит окислительно-восстановительный процесс.
Что такое окисление и восстановление все помнят?
Окисление – это процесс отдачи электронов атомом. Атом отдает свои кровные электроны другому атому и потому настроение у него кислое, и выражение на лице тоже кислое. Окисление – это потеря.
Восстановление – это процесс получения электронов атомом. Атом восстанавливается, отобрав электроны у другого атома. Восстановление напрямую связано с прибавлением, верно? Невозможно восстанавливаться, теряя что-то. Восстановление – следствие получения ресурсов.
Растения в процессе фотосинтеза окисляют воду, а этот процесс сопровождается выделением молекулярного кислорода (O2). Именно поэтому растения называют «легкими планеты». Но обратите внимание на такое обстоятельство – кислород растения выделяют не в процессе дыхания, а в процессе фотосинтеза.
Фотосинтезирующие бактерии могут окислять не воду, а другие вещества, и кислород при этом не образуется.
Сущность фотосинтеза с использованием воды можно выразить следующей формулой:
6СО2 + 6Н2О + Qсвета → С6Н12О6 + 6О2
Углекислый газ и вода при помощи световой энергии превратились в глюкозу и кислород.
У высших растений, тело которых разделено на специализированные органы – листья, стебель и корень, органом фотосинтеза является лист, а органоидами фотосинтеза – хлоропласты (они же пластиды).
Главным компонентом процесса фотосинтеза, название которого переводится как «световой синтез», является зеленый пигмент хлорофилл. Молекула хлорофилла способна запасать энергию света в виде энергии возбужденных электронов и преобразовывать ее в энергию химических связей.
Клеточные органоиды хлоропласты имеют зеленый цвет, благодаря присутствию в них хлорофилла. Также в хлоропластах содержатся вспомогательные пигменты фотосинтеза – каротиноиды, которые имеют оранжевый цвет.
Хлоропласты представляют собой овальные тельца размером до 10 × 4 мкм. В одной клетке листа в среднем содержится 15-20 хлоропластов, а у некоторых водорослей в клетках могут быть только 1 или 2 гигантских хлоропласта, которые называются хроматофорами.
Фотосинтез – это довольно сложный многоступенчатый процесс, который можно разделить на две группы – реакции световой фазы и реакции темновой фазы.
Реакции световой фазы, как нетрудно догадаться из названия, могут происходить только в присутствии света. В эту фазу с использованием световой энергии происходит фосфорилирование находящегося в хлоропластах АДФ до АТФ. При этом выделяется молекулярный кислород, который уходит в атмосферу.
За светофой фазой следует темновая.
Обратите внимание на то, что темновая фаза названа так, поскольку для ее реакций не нужна энергия света. Но это не ночная фаза, которая происходит только ночью. Реакции темновой фазы идут и днем, и ночью, без использования световой энергии.
Реакции темновой фазы представляют собой цепочку последовательных преобразований поступающего из воздуха углекислого газа, с образованием глюкозы и других органических веществ. В этих реакциях используется энергия АТФ, образованного в световую фазу.
Благодаря фотосинтезу из атмосферы поглощается углекислый газ, а в нее выделяется кислород… Кроме того, фотосинтез является основным источником образования органических веществ на нашей планете.
Знаете ли вы, что при фотосинтезе растения используют всего 1 % падающей на них солнечной энергии? Да, представьте – всего 1 %! А продуктивность фотосинтеза составляет примерно 1 грамм органического вещества на 1 кв. метр поверхности зеленых листьев в час.
Фотосинтезирующими организмами являются многие группы бактерий, в частности цианобактерии. У бактерий нет хлоропластов. Фотосинтез у них происходит на особых внутриклеточных мембранах, которые называются мезосомами, а также в цитоплазме. На мезосомах находятся фотосинтезирующие пигменты, которые, подобно хлорофиллу, превращают световую энергию в химическую. Здесь осуществляется световая фаза фотосинтеза. А темновая фаза проходит в цитоплазме бактериальной клетки.
Фотосинтез надо отличать от хемосинтеза, при котором образование органических веществ происходит за счет окисления различных неорганических соединений. Результат у обоих процессов один и тот же – синтез органических веществ, а суть разная. Ученые, занимающиеся проблемами переработки отходов, возлагают на бактерии-хемотрофы большие надежды. Представьте, как хорошо было бы иметь микроскопических помощников, способных перерабатывать пластик и прочее ненужное в органические вещества, причем – абсолютно экологичным способом, без загрязнения атмосферы и сточных вод! А биомассу (то есть – размножившихся бактерий) можно использовать в хозяйстве. Например, в качестве корма в птицеводстве или животноводстве. Сразу вспоминается фантастическая повесть Александра Беляева «Вечный хлеб», в которой профессор по фамилии Бройер создал саморастущее микробное «тесто», питательное и вкусное. Правда, как это часто бывает в жизни, хорошая задумка – дать голодным «вечный хлеб» – обернулась экологической катастрофой. Едоки не успевали своевременно съедать нужное количество «теста», которого становилось все больше и больше. «Тесто» растет с угрожающей быстротой, превращаясь из драгоценного питательного вещества в страшного врага, вырастая в могучий хлебный потоп, который грозит всеобщей гибелью…». Не помогло и выбрасывание теста в море, где его должны были съесть рыбы. Рыбы тоже не справились. «Тесто» захватило огромное пространство моря… В довершение бед, оно затянуло всю прибрежную полосу, остановило прибой, сравнялось с берегом и поползло на сушу».
