"Биология. Общая биология (базовый уровень)", Сивоглазов В.И., Агафонова И.Б., Захарова Е.Т.
Пластический обмен создаёт сложные вещества из простых и обеспечивает рост и обновление клеток. Один из его важнейших примеров — фотосинтез: в клетках с хлорофиллом энергия света помогает превратить воду и углекислый газ в органические вещества. В хлоропластах этот процесс проходит в две связанные фазы. В световой фазе расщепляется вода и выделяется кислород, а в темновой углекислый газ включается в состав углеводов. Так энергия света запасается в органических молекулах.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Пластический обмен (анаболизм) — совокупность реакций синтеза сложных веществ из более простых. Такие реакции позволяют клетке строить собственные структуры и создавать нужные ей соединения. Поэтому пластический обмен необходим для роста организма, а также для замены изношенных частей клеток.
Фотосинтез — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды с использованием энергии света. Он происходит в клетках, содержащих хлорофилл — пигмент, поглощающий свет. Фотосинтез обеспечивает синтез органического вещества и запасание энергии в его молекулах.
Световая фаза фотосинтеза — этап, на котором энергия света преобразуется в химическую энергию. В это время происходит фотолиз воды, то есть её расщепление, и выделяется кислород. Продукты этой фазы далее используются в процессе синтеза органических веществ.
Темновая фаза фотосинтеза — этап фиксации углекислого газа и синтеза углеводов с использованием продуктов световой фазы. Фиксация означает включение углекислого газа в состав органических соединений. Название не означает, что реакции обязательно идут ночью: они не используют свет непосредственно.
Пластический и энергетический обмен связаны, потому что построение сложных молекул требует затрат энергии. При фотосинтезе энергия света преобразуется и запасается в химических связях органических веществ. Благодаря этому синтезированное вещество может служить клетке материалом для роста и обновления. Значит, фотосинтез одновременно создаёт органические соединения и сохраняет в них энергию.
Фотосинтез происходит в хлоропластах, и их строение помогает разделить его этапы. Световая фаза связана с мембранами тилакоидов — внутренних мембранных образований, где расположены пигменты и системы преобразования энергии. Фиксация углекислого газа происходит в строме, внутренней среде хлоропласта. Такое разделение позволяет на одном этапе получать необходимые продукты, а на другом — использовать их для синтеза углеводов.
Для образования органических веществ растению нужны исходные вещества и источник энергии. Вода поступает в растение из почвы, а углекислый газ — из воздуха. Свет улавливают пигменты, в том числе хлорофилл, находящийся в хлоропластах. Без света нельзя запустить преобразования световой фазы, а без воды или углекислого газа не хватает исходного материала для фотосинтеза.
В световой фазе поглощение света запускает перенос энергии и электронов в мембранах тилакоидов. Одновременно происходит фотолиз воды: из неё образуются кислород, протоны и электроны. Кислород выделяется, а энергия преобразуется в химическую форму, которую клетка может использовать в дальнейших реакциях. Поэтому выделяемый при фотосинтезе кислород происходит из воды, а не из углекислого газа.
В темновой фазе углекислый газ включается в органические соединения, из которых образуются углеводы. Для этого нужны химическая энергия и вещества, подготовленные в световой фазе. Сама фиксация углекислого газа не требует непосредственного поглощения света, но без продуктов световых реакций не может долго продолжаться. Так две фазы образуют единый процесс, а не два независимых этапа.
| Характеристика | Световая фаза | Темновая фаза |
|---|---|---|
| Место протекания в хлоропласте | Мембраны тилакоидов | Строма |
| Необходимые условия | Свет, пигменты, вода | Углекислый газ и продукты световой фазы |
| Исходные вещества | Вода | Углекислый газ |
| Основные процессы | Поглощение света, фотолиз воды, преобразование энергии | Фиксация углекислого газа, синтез углеводов |
| Продукты | Кислород и продукты, обеспечивающие темновую фазу | Углеводы |
| Связь между фазами | Передаёт темновой фазе энергию и необходимые вещества | Использует продукты световой фазы |
Сравнивайте фазы по месту, исходным веществам и продуктам: это помогает не путать их процессы. Строка о связи показывает, почему темновая фаза зависит от световой, хотя не использует свет напрямую. Для запоминания важно также различать кислород, возникающий при фотолизе воды, и углеводы, образующиеся при фиксации углекислого газа.
Задача 1. Запишите суммарное уравнение фотосинтеза и укажите исходные вещества и продукты. Важно сопоставить вещества слева и справа от стрелки, а источник выделяемого кислорода связать с фотолизом воды.
Ответ: исходные вещества — углекислый газ и вода; продукты — глюкоза и кислород. Свет выступает источником энергии, а кислород в уравнении происходит из воды.
Задача 2. Определите, где в хлоропласте происходят поглощение света и фотолиз воды, а где — фиксация углекислого газа и образование углеводов. Для ответа нужно соотнести процессы с устройством хлоропласта.
Ответ: свет поглощается и вода расщепляется на мембранах тилакоидов; углекислый газ фиксируется и углеводы образуются в строме хлоропласта.
Задача 3. Растение поместили в условия, где световая фаза временно прекратилась, но углекислый газ продолжает поступать. Объясните, как это повлияет на синтез углеводов. Нужно учесть, что наличие одного исходного вещества не заменяет продукты световой фазы.
Ответ: продолжающееся поступление углекислого газа само по себе не обеспечит синтез углеводов. Темновой фазе нужны продукты световой фазы, поэтому её работа зависит от них.
Ошибка — считать, что выделяемый при фотосинтезе кислород образуется из углекислого газа. Так могут думать, потому что углекислый газ входит в уравнение фотосинтеза и участвует в образовании органических веществ. Проверка: вспомните, что кислород появляется при фотолизе воды в световой фазе.
Ошибка — понимать темновую фазу как процесс, который обязательно идёт только в темноте. Такое толкование возникает из-за буквального прочтения названия. Проверка: спросите себя, использует ли этот этап свет непосредственно; название говорит именно об этом, а не о времени суток.
Ошибка — менять местами участки хлоропласта, где проходят две фазы. Путаницу вызывает то, что обе фазы являются частями одного процесса. Проверка: световая фаза связана с мембранами тилакоидов, а фиксация углекислого газа происходит в строме.
Ошибка — сводить фотосинтез только к газообмену. Кислород действительно выделяется, но это не объясняет главного результата процесса — синтеза органических веществ. Проверка: назовите не только выделяемый газ, но и то, какое вещество образуется и где запасается энергия.
Для понимания фотосинтеза нужны знания о строении клетки и хлоропласта: они помогают связать процессы с тилакоидами и стромой. Различение органических и неорганических веществ позволяет увидеть, что вода и углекислый газ служат исходными веществами для синтеза органики. Это связывает тему с общими представлениями о строении и работе клетки.
Понимание энергии и клеточного дыхания помогает сравнить фотосинтез с энергетическим обменом. При фотосинтезе энергия света запасается в органических молекулах, а при дыхании энергия этих молекул используется клеткой. Позже фотосинтез пригодится для изучения пищевых цепей и круговоротов углерода и кислорода, а также роли растений в биосфере.
Почему фотосинтез относят к пластическому обмену?
При фотосинтезе из неорганических веществ — воды и углекислого газа — образуются органические вещества. Это синтез сложных веществ из более простых, поэтому фотосинтез относится к пластическому обмену.
Откуда берётся кислород, выделяемый растением?
Кислород образуется при фотолизе — расщеплении воды в световой фазе фотосинтеза. Углекислый газ не является источником выделяемого кислорода.
Где в хлоропласте происходят световая и темновая фазы?
Световая фаза связана с мембранами тилакоидов хлоропласта. Фиксация углекислого газа и синтез углеводов происходят в его внутренней среде — строме.
Почему темновая фаза не означает, что фотосинтез идёт только ночью?
Название указывает на то, что реакции этой фазы непосредственно не используют свет. Однако для них нужны вещества и химическая энергия, образовавшиеся в световой фазе, поэтому обычно обе фазы связаны между собой.
Что произойдёт с образованием углеводов, если прекратится световая фаза?
Сразу после прекращения световой фазы некоторое время могут использоваться уже накопленные её продукты. Когда их запас иссякнет, фиксация углекислого газа и образование углеводов резко замедлятся или прекратятся.
3.3. Пластический обмен. Фотосинтез
