§ 14. Фотосинтез — процесс пластического и энергетического обменов. Хемосинтез

Определения и обозначения

Фотосинтез — образование органических веществ из углекислого газа и воды за счёт энергии света. Так клетки создают вещества, из которых строятся их структуры и которые могут служить источником энергии. Поэтому фотосинтез относится к пластическому обмену, то есть к созданию веществ. Одновременно в нём энергия света преобразуется и запасается в химических связях.

Световая фаза фотосинтеза — реакции на мембранах тилакоидов, в которых энергия света преобразуется в химическую энергию АТФ и НАДФ·Н. АТФ — молекула, переносящая энергию, а НАДФ·Н участвует в передаче водорода и электронов. Эти соединения нужны, чтобы обеспечить последующие реакции синтеза. Название фазы указывает на её зависимость от света.

Темновая фаза фотосинтеза — реакции в строме хлоропласта, где углекислый газ используется для синтеза углеводов с затратой АТФ и НАДФ·Н. Строма — внутреннее полужидкое содержимое хлоропласта вокруг тилакоидов. Для этой фазы свет непосредственно не нужен, но её реакции используют продукты световой фазы. Поэтому название не означает, что процесс происходит только ночью.

Хемосинтез — образование органических веществ из углекислого газа за счёт энергии окисления неорганических веществ. Окисление — химическое превращение, при котором высвобождается энергия, доступная клетке. Такой способ получения энергии используют некоторые бактерии. Он позволяет создавать органическое вещество там, где свет недоступен.

Как это устроено

Фотосинтез происходит в хлоропластах, потому что в них расположены структуры для поглощения света и проведения реакций синтеза. Хлорофилл в мембранах тилакоидов улавливает световую энергию. Строма не выполняет ту же задачу: в ней протекают реакции, использующие продукты световой фазы. Такое разделение помогает последовательно преобразовать энергию и построить органические молекулы.

В световой фазе поглощённая энергия приводит к расщеплению воды. При этом образуются частицы, необходимые для дальнейших реакций, а кислород выделяется как побочный продукт. Энергия света не расходуется сразу, а запасается в АТФ и НАДФ·Н. Эти переносчики связывают этап у тилакоидов с синтезом веществ в строме.

В темновой фазе углекислый газ включается в реакции образования углеводов. Само включение требует энергии и восстановительной силы, поэтому используются АТФ и НАДФ·Н, созданные на свету. Если эти соединения не поступают, реакции синтеза не могут нормально идти. Свет здесь не служит непосредственным участником, хотя без световой фазы обычно не хватает необходимых переносчиков.

Фотосинтез объединяет два вида обмена веществ. Пластический обмен проявляется в создании органического вещества из неорганических исходных соединений. Энергетическая сторона состоит в преобразовании энергии света: сначала она запасается в АТФ и НАДФ·Н, а затем — в химических связях органических веществ. Благодаря этому растения создают биомассу, доступную и другим организмам.

При хемосинтезе источником энергии служит окисление неорганических соединений. Некоторые бактерии получают её, например, при превращениях аммиака, сероводорода или соединений железа. Энергия химических реакций позволяет им фиксировать углекислый газ и создавать органические вещества. Поскольку свет не нужен, хемосинтез возможен в местах, куда солнечные лучи не проникают.

Сравнение фотосинтеза и хемосинтеза

Сначала сравните источники энергии: это главное различие двух процессов. Затем обратите внимание, что углекислый газ служит источником углерода в обоих случаях. Строки о веществах и значении помогают связать различие с ролью организмов в природе.

Разбор задач

Задача 1. Укажите, где в клетке растения протекают световая и темновая фазы фотосинтеза. Чтобы ответить, нужно соотнести место каждой фазы с её задачей. Световая фаза улавливает энергию и создаёт переносчики, а темновая использует их для синтеза. В хлоропласте этим задачам соответствуют разные структуры.

1. Найдём место, где расположен хлорофилл и поглощается свет. Это мембраны тилакоидов.
2. Соотнесём с ним реакции световой фазы, включая расщепление воды и образование АТФ и НАДФ·Н.
3. Определим место синтеза органических веществ с участием углекислого газа. Это строма хлоропласта.

Ответ: световая фаза протекает на мембранах тилакоидов, темновая — в строме хлоропласта. Решение основано не только на запоминании названий: оно связывает функцию каждой фазы с местом её протекания. Это помогает не путать структуры хлоропласта.

Задача 2. Растение освещали, но лишили доступа углекислого газа. Объясните, почему синтез углеводов нарушился, хотя световая фаза могла идти. В условии разделены два фактора: свет есть, а углекислого газа нет. Значит, нужно выяснить, какая фаза зависит от каждого из них. Затем проследить, почему работа световой фазы не заменяет исходное сырьё для синтеза.

1. Свет позволяет хлорофиллу запускать световую фазу. В ней могут образовываться АТФ и НАДФ·Н.
2. Углекислый газ необходим в темновой фазе как источник углерода для синтеза углеводов.
3. Без углекислого газа реакции образования углеводов не получают исходный материал. Наличие энергии и переносчиков не компенсирует его отсутствие.

Ответ: световая фаза могла идти, но синтез углеводов нарушился из-за отсутствия углекислого газа. В этой ситуации условия для получения энергии есть, а необходимого вещества для построения углеводов нет. Поэтому нормальное течение одной фазы не гарантирует завершения всего процесса.

Задача 3. Первый микроорганизм на свету образует органические вещества и выделяет кислород, второй получает энергию при окислении аммиака и использует углекислый газ. Определите процессы и объясните различие в источниках энергии. Сначала выделим признаки источника энергии и продукта. Затем сопоставим каждый набор признаков с фотосинтезом или хемосинтезом. Так можно определить процесс, не ориентируясь только на то, что оба организма используют углекислый газ.

1. Первый организм использует свет, образует органические вещества и выделяет кислород. Это признаки фотосинтеза.
2. Второй окисляет аммиак и за счёт высвобождаемой энергии использует углекислый газ. Это хемосинтез.
3. Сравним источники энергии: первому нужна энергия света, второму — энергия химического окисления неорганического вещества.

Ответ: первый микроорганизм осуществляет фотосинтез, второй — хемосинтез. Оба процесса позволяют создавать органические вещества из углекислого газа, но энергия поступает разными путями. Выделение кислорода в условии дополнительно указывает на фотосинтез.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что темновая фаза идёт только ночью. Так думают из-за слова «темновая», принимая название за указание времени суток. На деле свет непосредственно в этих реакциях не нужен, но им необходимы вещества, созданные световой фазой. Проверка: спросите себя, откуда клетка получает АТФ и НАДФ·Н.

Ошибка: приписывать выделение кислорода расщеплению углекислого газа. Иногда это кажется логичным, потому что углекислый газ используется для образования органического вещества. Однако кислород выделяется при расщеплении воды в световой фазе. Проверка: разделяйте источник углерода для углеводов и источник выделяемого кислорода.

Ошибка: считать, что при хемосинтезе энергия получается из органических веществ. Причина путаницы — представление, что любая клетка получает энергию только при распаде органики. Хемосинтезирующие бактерии используют энергию окисления неорганических соединений. Проверка: назовите конкретное вещество, окисление которого обеспечивает процесс.

Ошибка: смешивать образование АТФ в световой фазе с синтезом углеводов. АТФ и НАДФ·Н — не готовые углеводы, а переносчики, которые помогают провести реакции темновой фазы. Путаница возникает, если считать промежуточные продукты конечным результатом фотосинтеза. Проверка: проследите путь энергии от света через переносчики к органическим веществам.

Связь с другими темами

Для понимания фотосинтеза нужны знания о строении хлоропласта и роли хлорофилла, а также различие между пластическим и энергетическим обменом. С клеточным дыханием тема связана преобразованием энергии и круговоротом углерода и кислорода. Сравнение этих процессов помогает понять, как вещества переходят между живыми организмами и средой. Эти знания пригодятся при изучении экосистем, пищевых цепей и роли бактерий в круговороте веществ.

Что запомнить

• Фотосинтез происходит в хлоропластах и использует энергию света.
• Световая фаза идёт на мембранах тилакоидов.
• При расщеплении воды в световой фазе выделяется кислород.
• Темновая фаза использует углекислый газ, АТФ и НАДФ·Н для синтеза органических веществ.
• При фотосинтезе световая энергия запасается в химических связях органических веществ.
• Хемосинтез обеспечивает фиксацию углекислого газа за счёт энергии окисления неорганических веществ.
• Хемосинтез характерен для некоторых бактерий и не требует света.