§24. Автотрофное питание. Фотосинтез

Определения и обозначения

Автотрофное питание — образование организмом органических веществ из неорганических. Автотрофы не получают готовую пищу от других организмов, а создают её сами; так в экосистемах появляется органическое вещество, которым могут питаться другие существа.

Фотосинтез — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды с использованием энергии света. Он позволяет преобразовать световую энергию в химическую, запасённую в связях молекул, и связан с выделением кислорода.

Хлорофилл — зелёный пигмент, поглощающий свет в клетках растений и водорослей. Его задача — передать энергию света реакциям фотосинтеза, поэтому без него фотосинтез у растений не мог бы идти обычным путём.

Хлоропласт — органоид растительной клетки, в котором происходит фотосинтез. Его внутреннее строение разделяет этапы процесса и помогает клетке использовать световую энергию и синтезировать органические вещества.

Как это устроено

У растений фотосинтез происходит в хлоропластах. Внутри них есть мембранные мешочки-тилакоиды, собранные в стопки, и окружающая их жидкая среда — строма. Такое устройство важно потому, что разные реакции проходят в разных местах: мембраны улавливают свет, а в строме используются полученные продукты для образования углеводов.

Сначала хлорофилл поглощает энергию света. Она приводит в движение реакции на мембранах тилакоидов: вода расщепляется, кислород выделяется, а энергия запасается в специальных молекулах-переносчиках. Эти молекулы нужны не как конечная пища, а как временный запас энергии и восстановительной силы для следующего этапа.

Затем в строме хлоропласта происходит фиксация углекислого газа — его углерод включается в органические соединения. Для этого используются энергия и переносчики, образовавшиеся на световом этапе. Поэтому второй этап зависит от первого, хотя непосредственно свет для каждой реакции фиксации CO₂ не требуется: без продуктов световой фазы синтез не сможет продолжаться.

Суммарно фотосинтез можно записать так: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂; процесс идёт при участии света и хлорофилла. Эта запись показывает соотношение исходных веществ и продуктов, но не перечисляет все промежуточные реакции. Углерод органического вещества поступает из CO₂, а кислород образуется при расщеплении воды.

Скорость фотосинтеза зависит от условий среды. При слабом освещении растению не хватает энергии, а при низкой концентрации CO₂ ограничивается источник углерода; температура влияет на скорость ферментативных реакций. Если одного ресурса недостаточно, увеличение другого не обязательно ускорит процесс: именно нехватка наиболее ограничивающего условия сдерживает фотосинтез.

Фазы фотосинтеза и их роль

Таблица помогает сопоставить этапы по месту, условиям и результату. Проследи, какие продукты первого этапа используются дальше: так становится понятной связь фаз. Не следует считать их двумя независимыми процессами.

Разбор задач

Задача. Сколько молей углекислого газа требуется для образования 2 моль глюкозы, если процесс идёт по суммарному уравнению фотосинтеза? Считаем, что реакция протекает полностью и потерь веществ нет. Здесь важно опираться не на догадку о количестве атомов, а на коэффициенты уравнения.

1. Запишем уравнение: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂. Коэффициент перед CO₂ равен 6, а перед глюкозой — 1. Значит, на образование одной молекулы глюкозы требуется шесть молекул CO₂.

2. Перенесём это соотношение на количество вещества: на 1 моль глюкозы нужно 6 моль CO₂. Коэффициенты уравнения показывают именно такое молярное отношение, поэтому отдельно вычислять массу здесь не требуется.

3. Умножим количество CO₂ на 2: 6 моль/моль × 2 моль = 12 моль. Проверка: в уравнении углерод в глюкозе представлен шестью атомами, значит на одну молекулу глюкозы и нужны шесть молекул CO₂.

Ответ: для образования 2 моль глюкозы требуется 12 моль углекислого газа. В реальной клетке фотосинтез включает множество промежуточных реакций, но для расчёта по суммарному уравнению используют указанное соотношение. Если в задаче дано количество глюкозы в граммах, сначала его нужно перевести в моли.

Типичные ошибки

• Считать, что растения получают органические вещества из почвы. Обычно из почвы поступают вода и минеральные соли, а углерод для органических молекул поступает главным образом из CO₂ воздуха. Проверка: проследи, какие вещества стоят слева в уравнении фотосинтеза.

• Путать фотосинтез и дыхание, полагая, что растение дышит только ночью. Дыхание идёт постоянно, а фотосинтез требует света; смешение возникает потому, что оба процесса происходят в растении и связаны с газообменом. Проверь себя вопросом: расходуется ли здесь органическое вещество или образуется?

• Утверждать, что выделяемый кислород образуется из CO₂. В фотосинтезе кислород выделяется при расщеплении воды, тогда как углерод CO₂ включается в органические вещества. Чтобы проверить ответ, раздели источники атомов: углерод берётся из CO₂, а выделяющийся O₂ связан с водой.

• Называть фиксацию CO₂ полностью независимой от световой фазы. Она не использует свет непосредственно, но зависит от энергии и переносчиков, полученных на световом этапе. Проверка: спроси себя, откуда клетка возьмёт энергию для синтеза, если световые реакции не обеспечили её продуктами.

Связь с другими темами

Фотосинтез связан со строением клетки: понять его этапы помогают знания о хлоропластах и их мембранах. Он также относится к обмену веществ и энергии, потому что создаёт органические молекулы и запасает в них энергию света. В экологии фотосинтез объясняет, откуда в пищевых цепях берётся органическое вещество, а в круговороте веществ — как углерод атмосферы включается в живые организмы.

Что запомнить

• Автотрофы образуют органические вещества из неорганических.
• Фотосинтез запасает энергию света в органических молекулах.
• Световая фаза проходит на мембранах тилакоидов, фиксация CO₂ — в строме хлоропласта.
• Для фотосинтеза важны свет, вода, углекислый газ и подходящая температура.
• Кислород выделяется при расщеплении воды, а углерод органических веществ поступает из CO₂.