Фотосинтез и хемосинтез

Определения и обозначения

Фотосинтез — образование органических веществ из углекислого газа и воды с использованием энергии света; при этом выделяется кислород. Органические вещества — соединения, из которых состоят клетки и которые служат пищей и источником энергии. Фотосинтез позволяет растениям создавать такие вещества из неорганических веществ. Поэтому он лежит в основе питания многих организмов и влияет на состав атмосферы.

Хлорофилл — зелёный пигмент, способный поглощать световую энергию. Пигментом называют окрашенное вещество, которое взаимодействует со светом. Хлорофилл находится в хлоропластах — клеточных структурах, где происходит фотосинтез. Он нужен, чтобы энергия света могла быть использована в химических реакциях, а не просто отражалась или проходила сквозь лист.

Хемосинтез — образование органических веществ из углекислого газа за счёт энергии, полученной при окислении неорганических веществ. Окисление — химическое превращение, при котором вещество отдаёт электроны; в клетке оно может сопровождаться высвобождением энергии. В отличие от фотосинтеза, для хемосинтеза не требуется свет. Благодаря этому органическое вещество может образовываться и там, куда солнечные лучи не проникают.

Хемосинтезирующие бактерии — бактерии, которые получают энергию, окисляя неорганические вещества, например аммиак, сероводород или соединения железа. Полученную энергию они используют для синтеза органических веществ из углекислого газа. Значит, эти бактерии сами создают органику, хотя не используют свет и хлорофилл. Их способ питания показывает, что для синтеза органических соединений энергия может поступать не только от Солнца.

Как это устроено

Фотосинтез происходит в хлоропластах, потому что именно там находятся хлорофилл и другие компоненты, необходимые для превращения энергии. Хлорофилл поглощает свет, а исходными веществами служат вода и углекислый газ. Вода поступает в растение из почвы, углекислый газ — из воздуха через отверстия в листьях. Свет обеспечивает процесс энергией, а углерод из углекислого газа становится частью образующихся органических веществ.

Сначала идут световые реакции: поглощённая хлорофиллом энергия преобразуется в химическую, то есть запасается в веществах, которые клетка сможет использовать дальше. В ходе этих реакций вода расщепляется. Из неё выделяется кислород, а также образуются соединения, переносящие энергию и частицы, необходимые для следующего этапа. Поэтому световая стадия не просто «освещает» растение, а создаёт запас энергии и вещества для дальнейшего синтеза.

Затем происходят реакции, в которых углекислый газ используется для образования органических веществ. Им не требуется непосредственное участие света, потому что энергию и необходимые компоненты они получают от световой стадии. Если свет прекратился, запас таких продуктов может поддерживать реакции некоторое время, но затем иссякнет. Поэтому отсутствие прямого требования к свету не означает полной независимости всего фотосинтеза от освещения.

При хемосинтезе свет не нужен: бактерии получают энергию из химических превращений неорганических веществ. Например, одни бактерии окисляют аммиак, другие — сероводород; энергия этих реакций используется для образования органических соединений из углекислого газа. Такое получение энергии возможно в темноте, если имеются подходящие неорганические вещества. Источник углерода при этом остаётся тем же, что и у фотосинтезирующих организмов, — углекислый газ.

Оба процесса превращают неорганический углерод в органическое вещество, но делают это за счёт разных источников энергии. Фотосинтез обеспечивает образование органики и выделение кислорода, поэтому поддерживает жизнь множества организмов, прямо или косвенно питающихся растениями. Хемосинтез позволяет некоторым бактериям создавать органику в условиях без света. Следовательно, доступность энергии определяет, где именно могут существовать организмы, создающие органические вещества.

Сравнение фотосинтеза и хемосинтеза

Сравнивайте процессы по одному признаку за раз: так легче не перепутать источник энергии и источник углерода. В обоих случаях углекислый газ даёт углерод для органических веществ, но способ получения энергии различается. Таблица также показывает, почему выделение кислорода характерно для фотосинтеза, а не для хемосинтеза.

Разбор задач

Задача 1. Растение на свету поглощает углекислый газ и выделяет кислород. Определите процесс и назовите его необходимые условия.

1. Сначала сопоставим признаки: поглощение углекислого газа и выделение кислорода характерны для фотосинтеза.
2. Затем выясним, откуда берётся энергия. Растение освещено, а хлорофилл в его клетках поглощает свет.
3. Проверим, какие вещества нужны для синтеза: углекислый газ и вода. Вода участвует в световых реакциях и при её расщеплении выделяется кислород.

Ответ: происходит фотосинтез; необходимы свет, хлорофилл, вода и углекислый газ. Свет и хлорофилл обеспечивают получение энергии, а вода и углекислый газ служат исходными веществами.

Задача 2. Бактерии получают энергию, окисляя аммиак, и используют углекислый газ для образования органических веществ. Объясните, какой это процесс.

1. Определим источник энергии: бактерии получают её при окислении аммиака, то есть неорганического вещества.
2. Сопоставим этот признак с определением: использование энергии окисления неорганических веществ для синтеза органики — признак хемосинтеза.
3. Углекислый газ в условии назван отдельно, потому что он даёт углерод для органических веществ, а не снабжает бактерии энергией.

Ответ: это хемосинтез. Бактерии окисляют аммиак, используют полученную энергию и синтезируют органические вещества из углекислого газа; свет для этого не требуется.

Задача 3. Сравните образование органических веществ у зелёного растения и хемосинтезирующей бактерии: укажите общий источник углерода и различие в источнике энергии.

1. Найдём общий источник углерода: и растение, и бактерия используют углекислый газ для создания органических веществ.
2. Для растения определим источник энергии: при фотосинтезе это свет, поглощаемый хлорофиллом.
3. Для бактерии назовём другой источник: энергия поступает при окислении неорганических веществ, например аммиака или сероводорода.

Ответ: общий источник углерода — углекислый газ. Растение использует световую энергию, а хемосинтезирующая бактерия — энергию окисления неорганических веществ.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что кислород при фотосинтезе образуется из углекислого газа. Её допускают, потому что растение поглощает углекислый газ, а кислород выделяет наружу, и эти события легко связать напрямую. Проверка: вспомните, что кислород появляется при расщеплении воды в световых реакциях, тогда как углекислый газ поставляет углерод для органики.

Ошибка: называть хемосинтез фотосинтезом без света. Такое сравнение кажется удобным, ведь в обоих случаях из углекислого газа создаётся органическое вещество. Но источник энергии принципиально иной: при хемосинтезе это окисление неорганических веществ. Проверка: назовите, откуда клетка получает энергию; если она не поступает от света, а высвобождается в химической реакции, речь идёт о хемосинтезе.

Ошибка: считать, что фотосинтез протекает только днём. Свет необходим световым реакциям, однако реакции синтеза органических веществ не используют свет непосредственно и зависят от продуктов первой стадии. Проверка: различайте потребность всего процесса в освещении и прямое участие света в конкретных реакциях. Без продуктов световой стадии последующие реакции не смогут долго продолжаться.

Ошибка: путать источник энергии с источником углерода. Это происходит потому, что оба вещества или условия называют рядом, когда описывают фотосинтез и хемосинтез. Проверка: задайте два отдельных вопроса — «откуда берётся энергия?» и «откуда берётся углерод для органики?». Ответы будут разными: свет или окисление дают энергию, а углекислый газ поставляет углерод.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать строение клетки, роль хлоропластов, а также различия между органическими и неорганическими веществами. Фотосинтез и хемосинтез показывают, как в клетке связаны обмен веществ и превращение энергии: она не возникает сама по себе, а переходит из одной формы в другую. Эти процессы участвуют в круговороте углерода, а фотосинтез — ещё и кислорода. Понимание роли растений помогает объяснить устройство экосистем и пищевых цепей, поскольку органические вещества растений становятся пищей для других организмов.

Что запомнить

• Фотосинтез происходит в клетках, содержащих хлорофилл.
• Для фотосинтеза нужны свет, вода и углекислый газ.
• При фотосинтезе образуются органические вещества и выделяется кислород.
• Световые реакции преобразуют энергию света и сопровождаются расщеплением воды.
• При хемосинтезе органические вещества образуются за счёт энергии окисления неорганических веществ.
• Хемосинтез осуществляют некоторые бактерии; свет и хлорофилл им не нужны.