§ 14. Особенности пластического обмена растительной клетки

Определения и обозначения

Пластический обмен — совокупность процессов синтеза сложных веществ из более простых с затратой энергии. В растительной клетке он обеспечивает рост, восстановление структур и образование веществ, необходимых для жизни. Фотосинтез является одним из главных процессов такого обмена.

Фотосинтез — образование органических веществ из углекислого газа и воды за счёт энергии света. Он характерен для клеток, в которых есть хлоропласты. Благодаря фотосинтезу растение получает органические вещества, а не готовую пищу из почвы.

Хлоропласт — органоид растительной клетки, в котором происходит фотосинтез. Его внутренняя мембранная система улавливает свет и разделяет этапы процесса, а внутренняя жидкая среда участвует в синтезе углеводов. Такое строение связано с выполнением разных функций.

Хлорофилл — зелёный пигмент хлоропластов, поглощающий световую энергию. Он запускает преобразование энергии света в форму, пригодную для дальнейших реакций фотосинтеза. Зелёный цвет листьев связан с тем, что часть света хлорофилл отражает.

Как это устроено

Фотосинтез относят к пластическому обмену, потому что в нём из неорганических веществ создаются органические соединения. Углекислый газ и вода содержат простые исходные компоненты, из которых клетка собирает углеводы. Энергия света не исчезает: она запасается в химических связях новых веществ и затем может использоваться клеткой.

Хлоропласты и хлорофилл выполняют разные, но связанные роли. Хлорофилл поглощает фотоны, а мембраны внутренних структур хлоропласта создают поверхность для цепи световых реакций. В строме хлоропласта ферменты используют полученную энергию для превращения углекислого газа в углеводы, поэтому строение органоида помогает согласовать этапы процесса.

Углекислый газ поступает из воздуха через устьица — небольшие отверстия в покровной ткани листа, а затем распространяется к клеткам. Вода и растворённые минеральные вещества поглощаются корневыми волосками и поднимаются по проводящим тканям к листьям. Минеральные вещества нужны растению для многих процессов, но углерод органических веществ фотосинтеза поступает главным образом из углекислого газа.

В световой фазе хлорофилл поглощает свет, и его энергия преобразуется в энергию АТФ и других энергетически богатых соединений. Одновременно вода расщепляется; при этом образуется кислород, который выделяется наружу. В темновой фазе углекислый газ включается в цепь реакций и на основе энергии световой фазы превращается в углеводы, поэтому слово «темновая» не означает обязательную работу только ночью.

Сравнение световой и темновой фаз фотосинтеза

Сначала определите, где проходит фаза и нужен ли ей свет непосредственно. Затем сравните исходные вещества и продукты: это помогает увидеть, что фазы не существуют независимо друг от друга.

Энергетически богатые соединения световой фазы используются в темновой, а продукты последующих реакций возвращают часть веществ для продолжения общего процесса. Поэтому нарушение одного этапа влияет на весь фотосинтез.

Разбор задач

Задача 1

Условие: назовите исходные вещества и продукты по схеме: углекислый газ и вода превращаются в органическое вещество при участии света. Свет в этой записи обозначает источник энергии, а не вещество.

1. Определим вещества слева от стрелки: это углекислый газ и вода.
2. Определим вещество справа: это органическое вещество, прежде всего углевод.
3. Учтём дополнительный результат световой фазы — выделение кислорода.

Ответ: исходные вещества — углекислый газ и вода; продукты — органическое вещество и кислород. Свет является условием и источником энергии, но не входит в состав продуктов.

Задача 2

Условие: объясните, почему при недостатке света фотосинтез замедляется, хотя воды и углекислого газа достаточно. Нужно связать условие опыта с этапами процесса.

1. Хлорофилл поглощает свет и передаёт его энергию световой фазе.
2. При слабом освещении образуется меньше АТФ и других энергетически богатых соединений.
3. Темновая фаза получает меньше энергии, поэтому синтез углеводов замедляется.

Ответ: недостаток света ограничивает световую фазу, а значит, и последующий синтез органических веществ. Одних воды и углекислого газа недостаточно, потому что для их превращения требуется энергия.

Задача 3

Условие: у растения перекрыли поступление углекислого газа, но оставили свет, воду и минеральное питание. Предскажите, как изменится образование углеводов.

1. Свет по-прежнему может запускать световую фазу, а вода участвует в её реакциях.
2. Но углекислый газ является исходным веществом для синтеза углеводов в темновой фазе.
3. Без его поступления темновая фаза не сможет нормально продолжаться, даже если энергия образуется.

Ответ: образование углеводов резко уменьшится или прекратится. Световая фаза ещё может идти некоторое время, но взаимосвязанный процесс фотосинтеза будет нарушен из-за отсутствия углекислого газа.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что растения получают готовые органические вещества из почвы. Так думают, потому что корень действительно поглощает вещества из почвенного раствора. Проверьте себя: из почвы поступают вода и минеральные соли, а органические вещества синтезируются в клетках.

Ошибка: путать фотосинтез с дыханием. Оба процесса связаны с энергией, поэтому их иногда смешивают. При фотосинтезе органические вещества образуются, а при дыхании расщепляются с высвобождением энергии.

Ошибка: полагать, что темновая фаза идёт только ночью. Название связано с отсутствием прямого использования света в её реакциях, а не со временем суток. Проверьте себя: для этой фазы нужны продукты световых реакций, обычно образующиеся на свету.

Ошибка: считать, что кислород фотосинтеза образуется из углекислого газа. При световой фазе кислород выделяется в результате расщепления воды. Если сомневаетесь, свяжите его источник именно с молекулами воды.

Связь с другими темами

Для понимания фотосинтеза нужны знания о растительной клетке, хлоропластах и функциях органоидов. Без этого трудно объяснить, почему процесс идёт не во всех клетках и как его этапы связаны со строением хлоропласта.

Также важно различать органические и неорганические вещества и понимать роль энергии в химических связях. Эти знания помогают отличать синтез веществ при фотосинтезе от их расщепления при дыхании.

Тема связана с обменом веществ, дыханием растений, круговоротом углерода и ролью растений в экосистемах. Фотосинтез обеспечивает образование органического вещества и поступление кислорода в окружающую среду.

Что запомнить

• Фотосинтез — важный процесс пластического обмена растительной клетки.
• Фотосинтез происходит в хлоропластах при участии хлорофилла.
• Для фотосинтеза нужны углекислый газ, вода и световая энергия.
• В световой фазе поглощается свет и выделяется кислород.
• В темновой фазе углекислый газ используется для синтеза углеводов.
• Световая и темновая фазы связаны: продукты одной используются в другой.