Роль фотосинтеза в природе и жизни человека

Содержание:

В фотосинтез Это биологический процесс, при котором солнечный свет преобразуется в химическую энергию и сохраняется в органических молекулах. Это связь между солнечной энергией и жизнью на Земле.

Метаболически растения относятся к автотрофам. Это означает, что им не нужно потреблять пищу, чтобы выжить, поскольку они могут сами производить ее посредством фотосинтеза. Все растения, водоросли и даже некоторые бактерии являются фотосинтезирующими организмами, характеризующимися зеленым цветом тканей или структур.

Этот процесс происходит в органеллах, называемых хлоропластами: мембранных субклеточных компартментах, содержащих ряд белков и ферментов, которые позволяют развиваться сложным реакциям. Кроме того, это физическое место, где хранится хлорофилл, пигмент, необходимый для фотосинтеза.

Путь, по которому углерод следует во время фотосинтеза, начиная с углекислого газа и заканчивая молекулой сахара, известен с удивительной точностью. Исторически путь делился на светлую фазу и темную фазу, пространственно разделенные в хлоропласте.

Легкая фаза происходит в мембране тилакоида хлоропласта и включает в себя распад молекулы воды на кислород, протоны и электроны. Последние передаются через мембрану для создания резервуара энергии в виде АТФ и НАДФН, которые используются на следующем этапе.

Темная фаза фотосинтеза происходит в строме хлоропласта. Он заключается в превращении диоксида углерода (CO₂) в углеводах с помощью ферментов цикла Кальвина-Бенсона.

Фотосинтез — важнейший путь для всех живых организмов на планете, служащий источником начальной энергии и кислорода. Гипотетически, если фотосинтез перестанет работать, массовое вымирание всех «высших» живых существ произойдет всего через 25 лет.

Строение листьев растений

Мы не можем полностью изучить фотосинтез, не зная больше о строении листа. Лист адаптирован для того, чтобы играть жизненно важную роль в процессе фотосинтеза.

Внешнее строение листьев

Площадь

Одной из самых главных особенностей растений является большая площадь поверхности листьев. Большинство зеленых растений имеют широкие, плоские и открытые листья, которые способны захватывать столько солнечной энергии (солнечного света), сколько необходимо для фотосинтеза.

Центральная жилка и черешок

Центральная жилка и черешок соединяются вместе и являются основанием листа. Черешок располагает лист таким образом, чтобы он получал как можно больше света.

Листовая пластинка

Простые листья имеют одну листовую пластину, а сложные – несколько. Листовая пластинка – одна из самых главных составляющих листа, которая непосредственно участвует в процессе фотосинтеза.

Жилы

Сеть жилок в листьях переносит воду от стеблей к листьям. Выделяемая глюкоза также направляется в другие части растения из листьев через жилки. Кроме того, эти части листа поддерживают и удерживают листовую пластину плоской для большего захвата солнечного света. Расположение жилок (жилкование) зависит от вида растения.

Основание листа

Основанием листа выступает самая нижняя его часть, которая сочленена со стеблем. Зачастую, у основания листа располагается парное количество прилистников.

Край листа

В зависимости от вида растения, край листа может иметь различную форму, включая: цельнокрайнюю, зубчатую, пильчатую, выемчатую, городчатую и т.п.

Верхушка листа

Как и край листа, верхушка бывает различной формы, включая: острую, округлую, туповатую, вытянутую, оттянутою и т.д.

Внутреннее строение листьев

Ниже представлена ​​близкая схема внутреннего строения тканей листьев:

Кутикула

Кутикула выступает главным, защитным слоем на поверхности растения. Как правило, она толще на верхней части листа. Кутикула покрыта веществом, похожим на воск, благодаря которому защищает растение от воды.

Эпидермис

Эпидермис – слой клеток, который является покровной тканью листа. Его главная функция – защита внутренних тканей листа от обезвоживания, механических повреждений и инфекций. Он также регулирует процесс газообмена и транспирации.

Мезофилл

Мезофилл – это основная ткань растения. Здесь происходит процесс фотосинтеза. У большинства растений мезофилл разделен на два слоя: верхний – палисадный и нижний – губчатый.

Защитные клетки

Защитные клетки – специализированные клетки в эпидермисе листьев, которые используются для контроля газообмена. Они выполняют защитную функцию для устьица. Устьичные поры становятся большими, когда вода есть в свободном доступе, в противном случае, защитные клетки становятся вялыми.

Устьице

Фотосинтез зависит от проникновения углекислого газа (CO2) из воздуха через устьица в ткани мезофилла. Кислород (O2), полученный как побочный продукт фотосинтеза, выходит из растения через устьица. Когда устьица открытые, вода теряется в результате испарения и должна быть восполнена через поток транспирации, водой, поглощенной корнями. Растения вынуждены уравновешивать количество поглощенного СО2 из воздуха и потерю воды через устьичные поры.

Фотосинтез и его значение. Космическая роль фотосинтеза

Высшие растения, водоросли и некоторые бактерии — автотрофные организмы. Название типа питания в переводе с греческого означает «сам питаюсь». Углерод для создания органического вещества они берут из углекислого газа и бикарбонат-ионов НСО₃-.

Фотосинтез —  это процесс преобразования энергии света в энергию химического связывания органических соединений при участии хлорофилла.

Фотосинтез происходит в хлоропластах, куда поступает углекислый газ и вода. Зеленый пигмент хлорофилл обеспечивает поглощение энергии света, необходимой для химических превращений. Растения в дальнейшем используют созданные молекулы простого углевода  для синтеза крахмала, жиров, и других веществ. Кислород выделяется в окружающую среду. Процессы, происходящие в хлоропластах, показаны

Вследствие фотосинтеза ежегодно образуется около 150 миллиардов тонн органического вещества и около 200 миллиардов тонн кислорода. Этот процесс обеспечивает углеродный цикл в биосфере, предотвращая накопление углекислого газа и, тем самым, предотвращая парниковый эффект и перегрев Земли. Органические вещества, образующиеся в результате фотосинтеза, частично потребляются другими организмами, большая часть которых за миллионы лет образовала залежи полезных ископаемых (уголь и бурый уголь, нефть).

Все чаще, в настоящее время рапсовое масло («биодизельное топливо») и спирт, полученный из растительных остатков, также начали использовать в качестве топлива. Озон образуется из кислорода при воздействии электрических разрядов, что создает озоновый экран, защищающий всю жизнь на Земле от вредного воздействия ультрафиолетовых лучей. 

Рис.1. Фотосинтез

Как доказал русский ученый К.А. Тимирязев, фотосинтез невозможен без хлорофилла. Исследователь писал, что именно в зеленых листьях совершается процесс, связывающий жизнь на Земле с Солнцем, позволяющий всем на планете пользоваться общим источником энергии.

Значение фотосинтеза и космическая роль зеленых растений:

• Усвоение энергии света для создания органических соединений.
• Создание органической массы (177 млрд. т ежегодно), необходимой для животных и человека.
• Выделение кислорода в атмосферу Земли (около 450 млн. т в год).
• Поддержание концентрации СО₂ в воздухе на уровне 0,02–0,04%.
• Накопление энергии.
• Образование почвы.

Благодаря растениям поддерживается содержание молекул О₂ в атмосфере нашей планеты на уровне 21%. Над крупными городами, промышленными центрами, транспортными узлами воздух беднее кислородом, запылен, содержит больше углекислого газа, токсичных веществ.

Суть одного из важнейших процессов на Земле отражает химическое уравнение:

6Н₂О + 6СО₂ + энергия света → С₆Н₁₂О₆ + О₂

Тест на тему: «Воздушное питание. Фотосинтез»

Лимит времени:

из 15 заданий окончено

Вопросы:

1. 1
2. 2
3. 3
4. 4
5. 5
6. 6
7. 7
8. 8
9. 9
10. 10
11. 11
12. 12
13. 13
14. 14
15. 15

Информация

Проверочное тестовое задание включает в себя вопросы с одним и несколькими правильными ответами

Вы уже проходили тест ранее. Вы не можете запустить его снова.

Тест загружается…

Вы должны войти или зарегистрироваться для того, чтобы начать тест.

Вы должны закончить следующие тесты, чтобы начать этот:

Результаты

Правильных ответов: из 15

Ваше время:

Время вышло

Вы набрали из баллов ()

Средний результат
Ваш результат

максимум из 20 баллов

Место	Имя	Записано	Баллы	Результат
Таблица загружается
Нет данных

1. 1
2. 2
3. 3
4. 4
5. 5
6. 6
7. 7
8. 8
9. 9
10. 10
11. 11
12. 12
13. 13
14. 14
15. 15

1. С ответом
2. С отметкой о просмотре

1. Задание 1 из 15
   • дыхание
   • фотосинтез
   • размножение
   • развитие
   • выделение

   Правильно Неправильно

2. Задание 2 из 15
   • размножение
   • выделение
   • дыхание
   • фотосинтез
   • окисление

   Правильно Неправильно

3. Задание 3 из 15
   • свет
   • кислород
   • азот
   • углекислый газ
   • вода

   Правильно Неправильно

4. Задание 4 из 15
   • белок
   • глюкоза
   • жир
   • целлюлоза
   • фруктоза

   Правильно Неправильно

5. Задание 5 из 15
   • прилистники
   • жилки
   • кожицу
   • устьица
   • черешок

   Правильно Неправильно

6. Задание 6 из 15
   • целлюлозу
   • крахмал
   • хитин
   • жир
   • фруктозу

   Правильно Неправильно

7. Задание 7 из 15
   • воду
   • азот
   • кислород
   • аммиак
   • магний

   Правильно Неправильно

8. Задание 8 из 15
   • Ян Батист ван Гельмонт
   • К.А.Тимирязев
   • Жан Сенебье
   • Р.Гук
   • Антони ван Левенгук

   Правильно Неправильно

9. Задание 9 из 15
   • К. А. Тимирязев
   • Жан Сенебье
   • Ян Батист ван Гельмонт
   • Л.Пастер
   • Р.Броун

   Правильно Неправильно

10. Задание 10 из 15
    • Антони ван Левенгук
    • Жан Сенебье
    • Ян Батист ван Гельмонт
    • К. А. Тимирязев
    • Р.Гук

    Правильно Неправильно

11. Задание 11 из 15
    • хроматофор
    • хлоропласт
    • хлорофилл
    • фукосантин
    • каротин
    • ксантофил
    • антоцианин
    • цитохром

    Правильно Неправильно

12. Задание 12 из 15
    • вода
    • углекислый газ
    • азот
    • железо
    • кислород
    • солнечный свет
    • цинк
    • кальций

    Правильно Неправильно

13. Задание 13 из 15
    • не получают органические вещества в готовом виде из почвы
    • используют углекислый газ
    • получают органические вещества в готовом виде из почвы
    • используют энергию солнца
    • самостоятельно образуют органические вещества
    • используют кислород
    • образуют углекислый газ
    • поглощают углекислый газ

    Правильно Неправильно

14. Задание 14 из 15
    • аммиак
    • азот
    • соляная кислота
    • раствор йода
    • серная кислота
    • азотная кислота
    • раствор поваренной соли
    • сера

    Правильно Неправильно

15. Задание 15 из 15

    Выберите верные утверждения

    • при дыхании растения поглощают кислород
    • при фотосинтезе растения поглощают углекислый газ
    • фотосинтез — основа воздушного питания растений
    • при дыхании растения поглощают углекислый газ
    • солнце — основной источник энергии для растений
    • при фотосинтезе растения выделяют кислород
    • кислород не поддерживает горение

    Правильно Неправильно

Краткая характеристика темновой фазы фотосинтеза

Для протекания этой фазы свет не является необходимым условием, но протекать эта фаза может как в отсутствие света, так и на свету.

Химизм темновой фазы сложен, но он сводится к фиксации углекислого газа за счет его восстановления НАДФ х Н₂ или НАДФ х Н. В общем виде темновую фазу характеризуют как последовательность процессов, начинающихся присоединением углекислого газа к пентозе — углеводу, содержащему пять атомов углерода, в результате чего возникает неустойчивое соединение, содержащее шесть атомов углерода (начало цикла Кальвина). Это вещество распадается на две молекулы соединения, содержащего три атома углерода. Получившиеся вещества взаимодействуют с АТФ и превращаются в фосфорилированные формы (это эфиры фосфорной кислоты), которые обогащены энергией (АТФ в данном случае превращается в АДФ, которая возвращается в световую фазу фотосинтеза).

Фосфорилированные формы вещества, содержащего три атома углерода, восстанавливаются НАДФхН₂ (НАДФхН), и восстановленные эфирные формы углеродсодержащего вещества идут на образование нового углеродсодержащего соединения, которое уже содержит шесть атомов углерода; из последнего вещества происходит образование первичного моносахарида — глюкозы. Окисленные формы НАДФ в дальнейшем включаются в световую фазу фотосинтеза.

Часть восстановленных эфирных форм трехуглеродного соединения принимает участие в образовании пентоз, необходимых для фиксации СO₂. Образовавшаяся глюкоза далее вступает в реакцию поликонденсации и из нее образуется первичный полисахарид, который накапливается в пластидах до наступления темноты (т. е. часть темновой фазы, результатом которой является образование первичного полисахарида, протекает на свету).

При наступлении темноты первичный полисахарид подвергается гидролизу, превращаясь в растворимые сахара (преимущественно в глюкозу). Раствор глюкозы по сосудам флоэмы перемещается в организме растения к тем органам, где идет интенсивный рост тканей или происходит запасание соответствующих веществ. В этих органах поступившая глюкоза вступает в процессы синтеза полисахаридов, жиров, белков и нуклеиновых кислот, а также других жизненно важных химических соединений (витаминов и др.). Для синтеза белков и нуклеиновых кислот необходимы другие (кроме С, Н и О) химические элементы. Они поступают в растение из почвы в виде водных растворов соответствующих солей, содержащих азот, фосфор, серу и другие необходимые химические элементы. Для протекания процессов синтеза необходима энергия, источником которой является энергия химических связей в молекулах первичных органических веществ, например глюкозы (т. е. часть глюкозы подвергается окислению, вступая в процессы диссимиляции).

Биолого-экологическая роль темновой фазы состоит в том, что при этом образуются различные органические соединения, без которых невозможно существование животных и человека, осуществляется также круговорот веществ в природе — неорганические вещества превращаются в органические.

Эколого-биологическая роль фотосинтеза в целом складывается из отдельных элементов этой роли световой и темновой фаз, кроме того, фотосинтез является частью процессов, без которых невозможно осуществление круговорота веществ и химических элементов на планете Земля.

К фотосинтезу тесно примыкает хемосинтез — образование органических веществ из неорганических с использованием энергии, выделяющейся при окислении некоторых неорганических соединений, например, азотобактер фиксирует молекулярный азот, превращая его в нитритный или нитратный азот. Роль хемосинтеза значительно меньше, чем фотосинтеза, но он «открывает экологическую нишу» для определенных групп организмов и вносит свой вклад в реализацию круговорота веществ в природе.

Значение фотосинтеза

Если допустить повышение уровня углекислого газа в нижних слоях атмосферы повсеместно, а не только в экспериментальных теплицах, наступит парниковый эффект. Это то самое глобальное потепление, которое то ли уже приближается, то ли и не «светит».

Ученые не сходятся во мнениях. Если говорить о фактах, говорящих в пользу парникового эффекта, вспоминается таяние льдов Антарктики. Там обитают белые медведи. Уже несколько лет они включены в Красную книгу.

Частью жизни медведей исторически является преодоление водных широт на пути к новым ледникам. Устремляясь к ним, животные все чаще выбиваются из сил, так и не достигнув цели. Водные просторы увеличиваются.

Доплыть до клочков суши становится все сложнее. Порой, медведи гибнут в пути. Порой, краснокнижные хищники добираются до земли, но изможденными. Сил на охоту и переходов уже по твердой почве не остается.

Из вышесказанного делаем вывод: без фотосинтеза или с сокращением его доли, уровень углекислого газа в атмосфере спровоцирует парниковый эффект. Изменится не только климат планеты, но и состав ее обитателей, их облик, приспособления к окружающей среде.

Так будет до тех пор, пока доля углекислого соединения в воздухе не достигнет критического 1%. Далее, под вопрос встает сам фотосинтез. Воды мировых океанов могут остаться единственным его источником. Водоросли ведь тоже «дышат». Клетки, хранящие хлорофилл, у них другие.

Однако, суть процесса фотосинтеза у наземных и водных растений одна. Концентрация углекислого газа в атмосфере не обязательно передается водной среде. В ней баланс может сохраниться.

Некоторые ученые предполагают, что при постепенном увеличении доли углекислого газа в воздухе, представители флоры смогут приспособиться к новым условиям. Помидоры не станут сворачивать листья, капитулируя перед реалиями будущего.

Возможно, растения эволюционируют, научившись перерабатывать большее количество СО₂. Догадка ученых относится к категории «лучше не проверять». Слишком рискованно.

Значение фотосинтеза связано не только с поддержанием жизни самих растений и насыщением атмосферы Земли кислородом. Ученые бьются над искусственным проведением реакций.

Расщепляемая под действием радиации солнца  на водород и кислород вода – источник энергии. Энергия эта, в отличие от получаемой из нефтепродуктов и каменного угля, экологически чистая, безопасная.

Где происходит фотосинтез – не важно. Важна энергия, которую он несет с собой

Пока, человек получает ресурс, лишь поглощая растительную пищу. Возникает вопрос, как же выживают плотоядные? Они не зря охотятся на травоядных, а не себе подобных. В мясе животных, питающихся травами и листьями, сохраняется часть их энергии.

Кроме энергии фотосинтеза важны и его продукты. Кислород, к примеру, идет не только на дыхание животных, но и на образования озонового слоя. Он располагается в стратосфере Земли, на границе с космосом.

Озон – одна из модификаций кислорода, которую тот принимает, поднимаясь на тысячекилометровые высоты. Здесь элемент борется с радиацией Солнца. Не будь озонового слоя, излучение светила достигало бы поверхности планеты в опасных для всего живого дозах.

Интересно, что в деле поддержания баланса газов на планете могут помочь некоторые беспозвоночные. Слизень Elisia Chloroti, к примеру, научился ассимилировать хлоропласты водорослей.

Обитатель морей съедает их, «приручая» клетки с хлорофиллом в слизистой своего желудка. Геном слизня кодирует белки, необходимые зеленому пигменту для фотосинтеза.

Выработанные вещества поставляются хлоропластам и те «кормят» беспозвоночное сладенькой глюкозой. На ней и люди некоторое время способны выживать. Достаточно вспомнить больницы, где ослабленным вводят глюкозу внутривенно.

Сахар – основной источник энергии и, главное, быстрый. Цепочка преобразования глюкозы в чистую энергию короче, чем цепь преобразований жиров, белков. Конечно, сахар научились синтезировать искусственно.

Но, многие ученые склоняются к мнению, что полезнее для организма глюкоза растений, фруктов и овощей. Это подобно эффекту витаминов. У синтетических и природных один состав, но чуть разниться положение атомов. Опыты доказывают, что аптечный витамин С пользу дает сомнительную, а вот то же вещество из лимона или капусты – бесспорную.

Бесспорна и польза фотосинтеза. Он привычен и, одновременно, хранит еще много тайн. Познавайте их, дабы обеспечить счастливое будущее и себе, и планете в целом.

Δграмм°реакции

Свободная энергия (Δграмм°) для этих реакций составляют: +479 кДж моль−1, +317 кДж моль−1 и +162 кДж моль−1соответственно. Согласно термодинамике, положительный знак этих значений переводится в потребность в энергии и называется эндергоническим процессом.

Откуда фотосинтезирующий организм берет эту энергию для возникновения реакций? От солнечного света.

Следует отметить, что аэробное дыхание, в отличие от фотосинтеза, является экзергоническим процессом — в этом случае значение ΔG ° сопровождается отрицательным знаком. – где высвобождаемая энергия используется телом. Следовательно, уравнение выглядит следующим образом: CH₂О + О₂ → CO₂ + H₂ИЛИ.

Фотографиисистемы

Фотосистема I состоит из молекулы хлорофилла с пиком поглощения 700 нанометров, поэтому ее называют P₇₀₀. Точно так же пик поглощения фотосистемы II составляет 680, сокращенно P₆₈₀.

Задача фотосистемы I — производство НАДФН, а задача фотосистемы II — синтез АТФ. Энергия, используемая фотосистемой II, исходит от разрушения молекулы воды, высвобождения протонов и создания нового градиента через тилакоидную мембрану.

Электроны, полученные в результате распада, передаются жирорастворимому соединению: пластохинону, которое переносит электроны из фотосистемы II в комплекс цитохрома. БФ генерируя дополнительную накачку протонов.

Из фотосистемы II электроны перемещаются в пластоцианин и фотосистему I, которая использует электроны высокой энергии для восстановления НАДФ.+ в НАДФН. Электроны в конечном итоге достигают ферродоксина и генерируют НАДФН.

Первые фотосинтетические формы жизни

В свете эволюции фотосинтез представляется чрезвычайно древним процессом. Существует множество свидетельств того, что происхождение этого пути приближается к появлению первых форм жизни.

Что касается происхождения эукариот, есть неопровержимые доказательства того, что эндосимбиоз является наиболее правдоподобным объяснением этого процесса.

Таким образом, организмы, напоминающие цианобактерии, могут стать хлоропластами благодаря эндосимбиотическим отношениям с более крупными прокариотами. Следовательно, эволюционное происхождение фотосинтеза зарождается в бактериальной области и может распространяться благодаря массовым и повторяющимся событиям горизонтального переноса генов.

Кислородный и аноксигенный фотосинтез

Фотосинтез можно классифицировать по-разному. Первая классификация учитывает, использует ли организм воду для уменьшения углекислого газа. Таким образом, у нас есть кислородные фотосинтезирующие организмы, в том числе растения, водоросли и цианобактерии.

Напротив, когда организм не использует воду, они называются аноксигенными фотосинтетическими организмами. В эту группу входят зеленые и пурпурные бактерии, например роды Хлоробий Y Chromatium, которые используют серу или водород для уменьшения содержания углекислого газа.

Эти бактерии не способны прибегать к фотосинтезу в присутствии кислорода, им нужна анаэробная среда. Таким образом, фотосинтез не приводит к образованию кислорода — отсюда и название «аноксигенный».

Процесс фотосинтеза

Фотосинтез растений зиждется на 0,4% световых лучей. Половина из них не доходит до поверхности планеты. Из оставшихся для фотосинтеза подходит только 1/8. Работают ограничения по длине световой волны. Из подходящих лучей растения забирают 0,4%.

Если переводить в энергию, это 1% от ее общего количества. Привычное течение фотосинтеза проходит под действием света солнца. Однако, искусственные лучи растения тоже научились использовать.

Световой фотосинтез сводится к получению глюкозы. Она идет на питание растений. Побочный продукт реакции — кислород. Он выбрасывается представителями флоры во внешнюю среду, пополняя атмосферу Земли.

Получаются кислород и глюкоза в ходе реакции меж углекислым газом и водой. Хлорофилл в этом взаимодействии – своеобразный катализатор. Без него реакция не возможна.

Интересно, что хлорофилл встречается только в растениях. Функции, возложенные на пигмент, напоминают работу крови в организме животных. Хлорофилл подобен молекуле гемоглобина, но с магнием в центре.

В клетках же человеческой крови задействовано железо. Тем не менее, на организмы людей хлорофилл оказывает близкое к гемоглобину действие, а именно, повышает уровень кислорода крови и ускоряет обмен азота.

Реакция фотосинтеза может протекать быстро, или медленно. Все зависит от условий среды. Важны: интенсивность светового потока, температура воздуха, его насыщение углекислым газом и кислородом. Идеалом считается достижение точки компенсации. Так называют совпадение скоростей дыхания растения и выделения им кислорода.

Если свет в клетки хлоропласты, в коих скапливается хлорофилл, поступает сверху, то воду для реакции растения выкачивают из почвы. Вот зачем нужен полив растений. Недостаток влаги тормозит реакции фотосинтеза. В итоге, растение желтеет, то есть теряет хлорофилл.

Полей представителя флоры в этот момент, листья не зазеленеют. Выкачивать воду из почвы тоже помогает хлорофилл. Получается замкнутый круг. Нет полива – нет хлорофилла, нет хлорофилла – нет доставки воды в растение.

Теперь, уделим внимание глюкозе. Раз зелень вырабатывает ее из воды и углекислого газа, значит, из неорганического получается органика. Присоединяя к сахару то фосфор, то серу, то азот, растения производят витамины, жиры, белки, крахмалы

Дополнения к глюкозе травы да деревья берут из почвы. Элементы поступают растворенными в воде

Присоединяя к сахару то фосфор, то серу, то азот, растения производят витамины, жиры, белки, крахмалы. Дополнения к глюкозе травы да деревья берут из почвы. Элементы поступают растворенными в воде.

Фазы

Фотосинтез у растений происходит в листьях через хлоропласты — полуавтономные двухмембранные органеллы, относящиеся к классу пластид. С плоской формой листовых пластин обеспечивается качественное поглощение и полное использование световой энергии и углекислого газа. Вода, необходимая для природного синтеза, поступает от корней через водопроводящую ткань. Газообмен происходит с помощью диффузии через устьица и частично через кутикулу.

Хлоропласты заполнены бесцветной стромой и пронизаны ламеллами, которые при соединении друг с другом образуют тилакоиды. Именно в них и происходит фотосинтез. Цианобактерии сами собой представляют хлоропласты, поэтому аппарат для природного синтеза в них не выделен в отдельную органеллу.

Фотосинтез протекает при участии пигментов, которыми обычно выступают хлорофиллы. Некоторые организмы содержат другой пигмент — каротиноид или фикобилин. Прокариоты обладают пигментом бактериохлорофиллом, причем данные организмы не выделяют кислород по завершении природного синтеза.

Фотосинтез проходит две фазы — световую и темновую. Каждая из них характеризуется определенными реакциями и взаимодействующими веществами. Рассмотрим подробнее процесс фаз фотосинтеза.

Световая

Первая фаза фотосинтеза характеризуется образованием высокоэнергетических продуктов, которыми являются АТФ, клеточный источник энергии, и НАДФ, восстановитель. В конце стадии в качестве побочного продукта образуется кислород. Световая стадия происходит обязательно с солнечным светом.

Процесс фотосинтеза протекает в мембранах тилакоидов при участии белков-переносчиков электронов, АТФ-синтетазы и хлорофилла (или другого пигмента).

Функционирование электрохимических цепей, по которым происходит передача электронов и частично протонов водорода, образуется в сложных комплексах, формирующихся пигментами и ферментами.

Описание процесса световой фазы:

1. При попадании солнечного света на листовые пластины растительных организмов происходит возбуждение электронов хлорофилла в структуре пластин;
2. В активном состоянии частицы выходят из пигментной молекулы и попадают на внешнюю сторону тилакоида, заряженную отрицательно. Это происходит одновременно с окислением и последующим восстановлением молекул хлорофилла, которые отбирают очередные электроны у поступившей в листья воды;
3. Затем происходит фотолиз воды с образованием ионов, которые отдают электроны и преобразуются в радикалы OH, способные участвовать в реакциях и в дальнейшем;
4. Затем эти радикалы соединяются, образуя молекулы воды и свободный кислород, выходящий в атмосферу;
5. Тилакоидная мембрана приобретает с одной стороны положительный заряд за счет иона водорода, а с другой — отрицательный за счет электронов;
6. С достижением разницы в 200 мВ между сторонами мембраны протоны проходят через фермент АТФ-синтетазу, что приводит к превращению АДФ в АТФ (процесс фосфорилирования);
7. С освободившимся из воды атомным водородом происходит восстановление НАДФ+ в НАДФ·Н2;

Тогда как свободный кислород в процессе реакций выходит в атмосферу, АТФ и НАДФ·Н2 участвуют в темновой фазе природного синтеза.

Темновая

Обязательный компонент для этой стадии — углекислый газ, который растения постоянно поглощают из внешней среды через устьица в листьях. Процессы темновой фазы проходят в строме хлоропласта. Поскольку на данном этапе не требуется много солнечной энергии и будет достаточно получившихся в ходе световой фазы АТФ и НАДФ·Н2, реакции в организмах могут протекать и днем, и ночью. Процессы на этой стадии происходят быстрее, чем на предыдущей.

Совокупность всех процессов, происходящих в темновой фазе, представлена в виде своеобразной цепочки последовательных преобразований углекислоты, поступившей из внешней среды:

1. Первой реакцией в такой цепочке является фиксация углекислого газа. Наличие фермента РиБФ-карбоксилаза способствует быстрому и плавному протеканию реакции, в результате которой происходит образование шестиуглеродного соединения, распадающегося на 2 молекулы фосфоглицериновой кислоты;
2. Затем происходит довольно сложный цикл, включающий еще определенное число реакций, по завершении которых фосфоглицериновая кислота преобразуется в природный сахар — глюкозу. Этот процесс называют циклом Кальвина;

Вместе с сахаром также происходит формирование жирных кислот, аминокислот, глицерина и нуклеотидов.