Фотосинтез. Хемосинтез

Определения и обозначения

Фотосинтез — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды с использованием энергии света. Он происходит у растений, водорослей и некоторых бактерий; благодаря ему энергия света запасается в химических связях органических молекул. Поэтому фотосинтез служит основой питания многих организмов и пополняет атмосферу кислородом.

Хемосинтез — образование органических веществ из углекислого газа за счёт энергии, выделяющейся при окислении неорганических веществ. Его осуществляют некоторые бактерии и археи, например серобактерии и нитрифицирующие бактерии. Это позволяет создавать органическое вещество там, где нет света, в том числе в отдельных глубоководных экосистемах.

Хлорофилл — зелёный пигмент, который поглощает свет и участвует в превращении его энергии. Он нужен фотосинтезирующим клеткам, чтобы запускать световые реакции. Уравнение фотосинтеза часто записывают так: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂; оно показывает общий баланс веществ, а не все этапы процесса.

Как это устроено

Для фотосинтеза необходимы свет, вода и углекислый газ, поскольку процесс должен получить и энергию, и исходные атомы для построения органических молекул. Свет поглощается пигментами в мембранах хлоропластов — клеточных структур, где у растений происходит фотосинтез. Углекислый газ поступает из воздуха, а вода — из почвы через корни и проводящие ткани. Если одного из необходимых условий не хватает, скорость процесса ограничивается именно им.

Фотосинтез включает световые реакции и реакции фиксации углерода. В световых реакциях энергия света используется для расщепления молекул воды и образования веществ, которые переносят энергию дальше; при этом выделяется кислород. Затем в реакциях фиксации углерода углекислый газ включается в органические соединения. Такое разделение нужно, чтобы сначала преобразовать энергию света в удобную для клетки форму, а затем использовать её для синтеза.

При хемосинтезе клетка получает энергию не от света, а от окисления неорганических веществ. Например, некоторые бактерии используют аммиак, сероводород, водород или соединения железа; конкретный источник зависит от вида организма. Высвободившаяся энергия помогает связывать углекислый газ и создавать органические вещества. Поэтому хемосинтез возможен в темноте, но только там, где есть подходящие исходные соединения и хемосинтезирующие микроорганизмы.

Фотосинтез и хемосинтез сходны тем, что оба создают органическое вещество из неорганического и запасают энергию в химических связях. Однако свет необходим только фотосинтезу, а хемосинтез зависит от химических превращений неорганических соединений. Не следует считать, что эти процессы выполняют все растения или все бактерии: способность к ним есть лишь у определённых организмов. Различия в источнике энергии объясняют, почему процессы встречаются в разных условиях среды.

Сравнение фотосинтеза и хемосинтеза

Чтобы сравнить процессы, сначала найдите, откуда организм получает энергию, затем проверьте, какие организмы выполняют процесс и какие продукты образуются. Общий признак — использование углекислого газа для создания органического вещества. Таблица также помогает не приписывать хемосинтезу выделение кислорода, которое характерно для кислородного фотосинтеза.

Разбор задач

Задача. Запишите уравнение кислородного фотосинтеза и объясните, почему перед углекислым газом и водой ставят коэффициент 6. Считайте, что в результате образуются одна молекула глюкозы и кислород, а уравнение должно сохранять число атомов каждого элемента. Такая проверка называется балансировкой уравнения реакции.

1. Сначала записываем формулы веществ: CO₂ и H₂O — исходные вещества, C₆H₁₂O₆ и O₂ — продукты. Формула глюкозы показывает, что в одной её молекуле есть 6 атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода. Коэффициенты подбираем так, чтобы число атомов до и после реакции совпадало.
2. В глюкозе содержится 6 атомов углерода, поэтому перед CO₂ ставим коэффициент 6. Теперь слева находятся 6 атомов углерода и 12 атомов кислорода в углекислом газе. В глюкозе есть 12 атомов водорода, значит, для них нужно 6 молекул воды, поскольку каждая молекула H₂O содержит два атома водорода.
3. После добавления 6H₂O слева всего 18 атомов кислорода: 12 из углекислого газа и 6 из воды. Справа 6 атомов кислорода находятся в глюкозе, а оставшиеся 12 должны войти в молекулы O₂. Поэтому перед O₂ ставим коэффициент 6: шесть молекул содержат именно 12 атомов кислорода.
4. Проверяем итоговый баланс: слева 6 атомов углерода, 12 водорода и 18 кислорода; справа — столько же. Следовательно, уравнение составлено без нарушения сохранения атомов. Оно описывает общий итог фотосинтеза, а не последовательность всех реакций внутри клетки.

Ответ: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂. Коэффициенты 6 перед CO₂, H₂O и O₂ нужны, чтобы уравнять количество атомов каждого элемента. Уравнение показывает образование глюкозы и кислорода при кислородном фотосинтезе.

Типичные ошибки

• Считать, что растения получают энергию из углекислого газа. Углекислый газ даёт углерод для органических веществ, но источником энергии при фотосинтезе служит свет. Путаница возникает из-за того, что CO₂ указан среди исходных веществ в уравнении. Проверьте себя: отдельно назовите источник углерода и источник энергии.
• Утверждать, что хемосинтез требует света. При этом процессе энергия выделяется при окислении неорганических соединений, поэтому освещение не является необходимым условием. Ошибка появляется, когда все процессы создания органических веществ объединяют понятием «фотосинтез». Чтобы проверить ответ, спросите себя, какое именно превращение даёт энергию клетке.
• Считать, что кислород фотосинтеза образуется из углекислого газа. При кислородном фотосинтезе выделяемый O₂ образуется при расщеплении воды в световых реакциях. Неверный вывод часто делают, видя CO₂ среди исходных веществ общего уравнения. Вспомните, что суммарная формула показывает баланс, а не происхождение каждого атома; для источника выделяемого кислорода учитывайте световые реакции.
• Балансировать уравнение, меняя индексы в формулах. Индексы задают состав вещества, поэтому изменение CO₂ на CO или H₂O на H₂O₂ означает уже другое вещество. Так поступают, когда пытаются уравнять число атомов слишком быстро. Меняйте только коэффициенты перед формулами и после этого пересчитайте каждый вид атомов с обеих сторон.

Связь с другими темами

Фотосинтез и хемосинтез связаны с обменом веществ: клетка превращает исходные вещества в соединения, необходимые для роста и работы. Они также входят в круговорот углерода, поскольку связывают углекислый газ и включают углерод в состав организмов. Фотосинтез связан с пищевыми цепями: созданное органическое вещество становится пищей для других организмов. При изучении экосистем эти процессы помогают понять, откуда берутся органическое вещество и энергия для сообщества.

Что запомнить

• Фотосинтез создаёт органические вещества из CO₂ и воды, используя энергию света.
• Хемосинтез использует энергию окисления неорганических соединений и может идти без света.
• Оба процесса связывают углекислый газ и обеспечивают образование органического вещества.
• При кислородном фотосинтезе выделяется O₂; при хемосинтезе кислород не является обязательным продуктом.
• При балансировке уравнений меняют коэффициенты, но не индексы в формулах веществ.