§ 11. Фотосинтез

Определения и обозначения

Фотосинтез — образование органических веществ из углекислого газа и воды с использованием энергии света. В результате образуются углеводы, например глюкоза, а кислород выделяется в окружающую среду. Этот процесс позволяет растению создавать собственные органические вещества.

Хлоропласт — органоид растительной клетки, в котором происходит фотосинтез. Внутри него есть мембранные структуры и жидкая внутренняя среда, поэтому разные этапы процесса проходят в подходящих местах. Строение хлоропласта помогает улавливать свет и последовательно использовать его энергию.

Хлорофилл — зелёный пигмент, поглощающий энергию света. Пигментом называют окрашенное вещество, способное поглощать свет определённых участков спектра. Без улавливания световой энергии фотосинтез не мог бы обеспечивать образование органических веществ.

Фотосинтетическая фаза — один из этапов фотосинтеза. Различают световую фазу, для которой требуется свет, и темновую, которой он непосредственно не нужен. В первой энергия света преобразуется и выделяется кислород, во второй углекислый газ используется для образования органических веществ.

Как это устроено

В хлоропласте есть мембранные мешочки — тилакоиды, собранные в стопки, и окружающая их внутренняя среда, называемая стромой. Молекулы хлорофилла расположены в мембранах тилакоидов, поэтому именно там улавливается свет. На мембранах идут реакции световой фазы, а в строме — реакции темновой фазы. Такое разделение помогает клетке упорядочить этапы и передавать между ними нужные вещества.

Для фотосинтеза нужны вода и углекислый газ, но они поступают в растение разными путями. Вода всасывается корнями из почвы и по проводящим тканям достигает листьев; углекислый газ проникает из воздуха через мелкие отверстия на поверхности листа. Энергия приходит от солнечного света и поглощается хлорофиллом. Минеральные вещества также поступают из почвы, однако готовые органические вещества растение создаёт само.

В световой фазе поглощённая энергия запускает преобразования, в результате которых часть энергии запасается в химической форме. Одновременно молекулы воды расщепляются, и из них выделяется кислород. Это объясняет, почему источник выделяемого при фотосинтезе кислорода — вода, а не углекислый газ. Полученные в световой фазе богатые энергией вещества нужны для следующего этапа.

В темновой фазе клетки используют углекислый газ и энергию, запасённую на световом этапе, чтобы создавать органические вещества. Название может сбивать с толку: прямое освещение для реакций этой фазы не требуется, но без продуктов световой фазы она не сможет нормально идти. Поэтому обе части процесса связаны, хотя протекают в разных областях хлоропласта. Образовавшиеся органические вещества могут использоваться растением для получения энергии и построения клеток.

Скорость фотосинтеза зависит сразу от нескольких условий. При слабом освещении хлорофилл поглощает меньше энергии, а при недостатке углекислого газа клетке не хватает исходного вещества для образования органики. Температура влияет на скорость химических реакций, поэтому слишком низкая или высокая температура может замедлять процесс. Если один фактор становится ограничивающим, увеличение другого не обязательно заметно ускорит фотосинтез.

Сравнение световой и темновой фаз фотосинтеза

Чтобы сравнить фазы, сначала найдите, где и при каких условиях они идут, а затем сопоставьте исходные вещества и результаты. Так видно, что световая фаза обеспечивает темновую необходимыми продуктами. Нельзя считать, что темновая фаза обязательно идёт ночью: она не зависит от прямого освещения, но зависит от того, что происходит в световой фазе.

Разбор задач

Задача 1

Назовите исходные вещества фотосинтеза и продукты, которые образуются в результате процесса. Нужно отделить то, что растение получает извне, от того, что создаёт в ходе фотосинтеза. При этом важно не путать воду с минеральными веществами из почвы.

1. Определяем исходные вещества: это вода и углекислый газ.
2. Указываем продукты: образуются органические вещества, например глюкоза, и выделяется кислород.
3. Проверяем, что не включили в исходные вещества готовую органику из почвы: растение образует её само.

Ответ: исходные вещества — вода и углекислый газ; продукты — органические вещества и кислород.

Задача 2

Сравните световую и темновую фазы по месту протекания, зависимости от света и результатам. Здесь недостаточно перечислить свойства по отдельности: нужно показать, как этапы связаны. Световая фаза создаёт условия для работы темновой.

1. Устанавливаем место: световая фаза проходит на мембранах тилакоидов, темновая — в строме хлоропласта.
2. Сравниваем потребность в свете: первой свет необходим, вторая не требует его непосредственно.
3. Сопоставляем результаты: при световой фазе выделяется кислород и запасается энергия, при темновой образуются органические вещества из углекислого газа.
4. Показываем связь: темновая фаза расходует продукты световой, поэтому отсутствие прямого света не означает полной независимости от неё.

Ответ: фазы проходят в разных частях хлоропласта и различаются непосредственной потребностью в свете; продукты световой фазы используются в темновой для образования органических веществ.

Задача 3

Одно растение освещали ярким светом, а другое держали в темноте при одинаковых прочих условиях. Объясните, у какого растения фотосинтез будет идти активнее и почему. Важно сравнить именно доступность источника энергии, не меняя остальные условия задачи.

1. Вспоминаем, что световая энергия поглощается хлорофиллом и запускает световую фазу.
2. У растения на свету есть источник энергии для фотосинтеза; в темноте его нет.
3. Делаем вывод: при прочих равных условиях фотосинтез активнее у освещённого растения.

Ответ: активнее фотосинтез будет у растения на ярком свету, потому что свет даёт энергию для световой фазы.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что растения получают готовые органические вещества из почвы. Так могут думать, потому что корни поглощают вещества из грунта, но почва даёт воду и минеральные вещества, а органику растение образует при фотосинтезе. Проверьте себя: если речь идёт об исходных веществах фотосинтеза, назовите воду и углекислый газ.

Ошибка: утверждать, что выделяемый кислород образуется из углекислого газа. Углекислый газ участвует в образовании органических веществ, а кислород выделяется при расщеплении воды в световой фазе. Чтобы проверить ответ, спросите себя, какое вещество расщепляется на световом этапе.

Ошибка: смешивать световую и темновую фазы или считать, что темновая обязательно идёт в темноте. Такое заблуждение возникает из-за названия второй фазы, но она использует продукты световой фазы и не нуждается только в непосредственном освещении. Проверьте себя по двум признакам: где идёт фаза и какие вещества расходуются.

Ошибка: считать, что фотосинтез возможен только днём или что температура на него не влияет. Свет необходим световой фазе, но сами процессы не привязаны к условному времени суток, а скорость реакций зависит от температуры и доступности углекислого газа. Проверка простая: перечислите условия, которые влияют на интенсивность, а не только наличие света.

Связь с другими темами

Для понимания фотосинтеза нужны знания о растительной клетке и роли хлоропластов: строение органоида объясняет, где проходят этапы процесса. Представление о превращении энергии помогает понять, как свет используется клеткой, а знания о воде и газах — откуда берутся исходные вещества. Фотосинтез связан с круговоротом веществ и пищевыми цепями, поскольку создаёт органическую основу питания для многих организмов. Он также важен для поддержания состава атмосферы благодаря выделению кислорода.

Что запомнить

• Фотосинтез происходит в хлоропластах.
• Хлорофилл поглощает энергию света.
• Для фотосинтеза нужны вода и углекислый газ.
• В световой фазе используется энергия света и выделяется кислород.
• В темновой фазе углекислый газ используется для образования органических веществ.
• На интенсивность фотосинтеза влияют освещённость, доступность углекислого газа и температура.