17. Пластический обмен. Фотосинтез. Хемосинтез

Определения и обозначения

Пластический обмен, или ассимиляция, — совокупность реакций, в которых из более простых веществ синтезируются сложные. Например, клетка строит из небольших молекул вещества, нужные для роста и обновления её частей. Для таких реакций обычно требуется энергия, поэтому пластический обмен связан с энергетическим обменом.

Фотосинтез — образование органических веществ из углекислого газа и воды с использованием энергии света. Свет поглощает хлорофилл — зелёный пигмент, благодаря которому световая энергия может преобразоваться в химическую. При фотосинтезе выделяется кислород, а образованные органические вещества служат материалом и источником энергии для организмов.

Световая фаза фотосинтеза — реакции, которые идут при участии света и преобразуют его энергию в химическую. В ходе этих реакций образуются АТФ — молекулы, способные переносить энергию, — и восстановленные переносчики, то есть молекулы, несущие частицы для последующих реакций. Эти продукты нужны, чтобы далее синтезировать углеводы.

Хемосинтез — синтез органических веществ из углекислого газа за счёт энергии окисления неорганических веществ. Окисление — химическое превращение, при котором вещество отдаёт электроны; высвобождаемая энергия используется клеткой. Так некоторые бактерии создают органические вещества без света.

Как это устроено

Пластический обмен не может идти без затрат энергии, потому что создание сложной молекулы требует соединить более простые частицы и сформировать новые связи. Энергия для этого поступает из энергетического обмена, при котором вещества расщепляются. Она передаётся клетке, в частности, с помощью АТФ, поэтому процессы распада и синтеза дополняют друг друга.

При фотосинтезе хлорофилл поглощает свет, и энергия фотонов запускает реакции, которые переводят её в доступную клетке химическую форму. Кислород появляется при расщеплении воды: из её молекул образуются частицы, необходимые для световых реакций, и кислород. Поэтому выделяемый газ связан именно с водой, а не с углекислым газом.

В световой фазе возникают АТФ и восстановленные переносчики. Они нужны потому, что последующие реакции синтеза требуют и энергии, и веществ, способных передать необходимые частицы. Используя эти ресурсы, клетка строит углеводы из углекислого газа; таким образом, световые реакции обеспечивают следующий этап фотосинтеза.

У растений фотосинтез протекает в хлоропластах — органоидах, содержащих хлорофилл. Световые реакции связаны с тилакоидами, внутренними мембранными структурами хлоропласта: в их мембранах располагаются компоненты, которые поглощают свет и преобразуют его энергию. Реакции синтеза углеводов идут в строме, внутренней среде хлоропласта, куда поступают углекислый газ, АТФ и восстановленные переносчики.

Хемосинтез начинается с окисления неорганических веществ некоторыми бактериями. При этих превращениях высвобождается энергия, и клетка направляет её на образование органических веществ из углекислого газа. Поскольку источник энергии здесь химический, а не световой, хемосинтез возможен и без освещения.

Сравнение фотосинтеза и хемосинтеза

Сначала сравните источники энергии: это самый быстрый способ различить процессы. Затем проверьте, какие организмы их осуществляют и нужен ли свет. Обратите внимание, что в обоих случаях углекислый газ используется для образования органических веществ.

Разбор задач

Определяем процесс по источнику энергии

Назовите тип пластического обмена, при котором растение использует энергию света для образования органических веществ из углекислого газа и воды. Нужно сопоставить условие с признаками двух процессов, создающих органические вещества из CO₂. Учитываем, что речь идёт о растении и прямо указана энергия света.

1. Выделяем источник энергии: в условии это свет.
2. Находим исходные вещества: углекислый газ и вода.
3. Сопоставляем оба признака с определением фотосинтеза, а не хемосинтеза.

Ответ: фотосинтез. Свет служит источником энергии, а углекислый газ и вода используются для образования органических веществ.

Различаем хемосинтез и фотосинтез

Бактерии получают энергию при окислении аммиака и используют углекислый газ для синтеза органических веществ. В задаче не сказано, что бактерии поглощают свет; зато названо химическое превращение, при котором получают энергию. Поэтому определять процесс нужно по источнику энергии, а не только по наличию углекислого газа.

1. Устанавливаем источник энергии: бактерии получают её при окислении аммиака.
2. Сравниваем его со световой энергией фотосинтеза и замечаем, что свет не указан.
3. Соотносим окисление неорганического вещества и синтез из CO₂ с признаками хемосинтеза.

Ответ: это хемосинтез. Источник энергии — окисление аммиака, неорганического вещества.

Прослеживаем роль освещения

Объясните, почему прекращение освещения влияет на образование АТФ в световой фазе и на последующий синтез углеводов. Здесь нужно связать два этапа, а не рассматривать их отдельно. Сначала выясняем, откуда берётся энергия для световых реакций, затем — какие продукты этих реакций нужны для синтеза.

1. Свет необходим, чтобы хлорофилл поглощал энергию и запускал реакции световой фазы.
2. При отсутствии света образование АТФ и восстановленных переносчиков в этих реакциях прекращается или резко снижается.
3. Без их поступления последующие реакции лишаются энергии и ресурсов, необходимых для образования углеводов.

Ответ: прекращение освещения нарушает образование продуктов световой фазы, а значит, уменьшает обеспечение последующего синтеза углеводов энергией и восстановленными переносчиками.

Типичные ошибки

Считать фотосинтез только поглощением углекислого газа — значит забыть, что это процесс синтеза, а не простого газообмена. Так ошибаются, когда запоминают только один участник реакции. Проверьте себя вопросом: какие органические вещества образуются и какое ещё исходное вещество, кроме CO₂, используется? Ответ — вода.

Неверно утверждать, что выделяемый кислород образуется из углекислого газа: в фотосинтезе он возникает при расщеплении воды. Путаница появляется потому, что углекислый газ — заметное исходное вещество процесса. Чтобы проверить себя, проследите отдельно судьбу воды и CO₂: кислород выделяется при превращениях воды.

Смешивать световую фазу с синтезом углеводов — значит объединять последовательные этапы в один. Ошибка возникает, если считать, что свет непосредственно превращает CO₂ в готовый углевод. Спросите себя, что образуется сначала: АТФ и восстановленные переносчики, а уже затем их энергия и возможности используются при синтезе.

Считать, что хемосинтез требует света или происходит у растений, — значит переносить на него признаки фотосинтеза. Такое смешение понятно: оба процесса используют CO₂ для создания органических веществ. Проверьте источник энергии и организм: при хемосинтезе энергия получается при окислении неорганических веществ, а процесс осуществляют некоторые бактерии.

Связь с другими темами

Чтобы понять фотосинтез, нужно знать строение клетки, назначение хлоропластов и роль хлорофилла: без этих понятий трудно объяснить, где и как воспринимается свет. Понимание энергетического и пластического обмена помогает связать распад веществ с затратами на синтез. А знание АТФ объясняет, как энергия передаётся между этапами клеточных процессов.

Фотосинтез и хемосинтез пригодятся при изучении круговорота углерода: углекислый газ включается в состав органических веществ. Организмы, которые создают органику, выступают продуцентами и обеспечивают веществом и энергией другие звенья экосистемы. Поэтому от этих процессов зависит основа цепей питания.

Что запомнить

• Пластический обмен обеспечивает синтез сложных веществ из более простых.
• Фотосинтез использует энергию света.
• При световой фазе образуются АТФ и восстановленные переносчики.
• Кислород при фотосинтезе образуется из воды.
• Хемосинтез использует энергию окисления неорганических веществ.
• Фотосинтез и хемосинтез позволяют образовывать органические вещества из углекислого газа.