Доклад на тему: "Фотосинтез"
В два этапа растения преобразуют солнечный свет в запасенную химическую энергию: сначала они улавливают энергию солнечного света, а затем используют ее для связывания углерода с образованием органических молекул.
Автотрофы, или зеленые растения, являются строительными блоками всей жизни на Земле. Почти все пищевые цепочки начинаются с растений. Наиболее важным из них является шестиуглеродный сахар, известный как глюкоза, который они превращают в энергию, хранящуюся в углеводах (см. Биологические молекулы).Этот процесс изменения энергии называется фотосинтезом. Поедая растения, другие организмы могут получить доступ к этой энергии. Экосистема планеты поддерживается этой пищевой цепочкой.
Кроме того, в результате фотосинтеза воздух, которым мы дышим, наполняется кислородом.
Ниже приводится общее уравнение фотосинтеза:
Вода, углекислый газ, свет, углеводы и кислород приводят к производству кислорода, побочного продукта жизнедеятельности растений (см. гликолиз и дыхание), который затем выделяется растениями. Кроме того, фотосинтез играет важную роль в круговороте углерода в природе.
Учитывая значимость фотосинтеза, кажется странным, что его изучение заняло так много времени. После эксперимента Ван Гельмонта в 17 веке наступило затишье, и только в 1905 году английский физиолог растений Фредерик Блэкман (1866-47) провел исследования и установил фундаментальные процессы фотосинтеза. Он показал, что фотосинтез начинается при слабом освещении, что скорость фотосинтеза возрастает по мере увеличения светового потока и что после определенного момента дальнейшее увеличение освещенности не приводит к увеличению фотосинтетической активности. Блэкман продемонстрировал, что повышение температуры при слабом освещении не влияет на скорость фотосинтеза, тогда как одновременное повышение температуры и количества света значительно увеличивает скорость фотосинтеза.
На основании этих экспериментов Блэкман пришел к выводу, что происходят два процесса: на один сильно влияет температура независимо от уровня освещенности, а на другой в значительной степени влияет температура. Современные представления о фотосинтезе основаны на этой идее. Не совсем точно называть эти два процесса "световыми" и "темными" реакциями, поскольку было показано, что, несмотря на то, что они происходят в отсутствие света, реакции "темной" фазы все равно требуют продуктов "световой" фазы.
Когда на специальные молекулы пигмента, называемые молекулами хлорофилла, которые находятся в листе, попадают фотоны, испускаемые солнцем, начинается фотосинтез. Мембраны клеточных органелл хлоропластов, которые и придают листу его зеленый цвет, находятся там, где находится хлорофилл. Два этапа захвата энергии осуществляются в отдельных кластерах молекул, которые обычно называют фотосистемой I и фотосистемой II. Одна из забавных научных странностей заключается в том, что на листе показаны реакции, происходящие сначала в фотосистеме II, а затем в фотосистеме I. Когда фотон сталкивается с 250-400 молекулами в фотосистеме II, энергия резко возрастает и передается молекуле хлорофилла. Номера кластеров отражают порядок, в котором эти процессы были открыты. В этот момент происходят две химические реакции: молекула воды расщепляется после того, как молекула хлорофилла теряет два электрона, которые принимает другая молекула, известная как акцептор электронов. Два электрона, которые потерял хлорофилл, заменяются электронами двух атомов водорода, составляющих молекулу воды.
После этого, в цепи молекулярных переносчиков, высокоэнергетические ("быстрые") электроны бросаются друг на друга, как горячая картошка. Молекула аденозинтрифосфата (АТФ) - один из основных переносчиков энергии клетки - образуется с частью энергии (см. Биологические молекулы). Тем временем, другая молекула-акцептор получает электрон от немного другой молекулы хлорофилла в фотосистеме I после поглощения энергии фотона. Электрон из фотосистемы II проходит через цепь переносчиков в хлорофилле, чтобы занять его место. NADPH-H, еще одна молекула-переносчик, образуется путем объединения энергии электрона из фотосистемы I с ионами водорода, которые были образованы ранее при расщеплении молекулы воды.
В процессе улавливания света энергия двух фотонов откладывается в частицы, задействованные клеткой для реакции, и, кроме того, формируется один атом кислорода. (Важно помнить, что молекулы АТФ также образуются в результате другой, гораздо менее эффективной процедуры, в которой участвует только фотосистема I.После поглощения и накопления солнечной энергии следует образование углеводов. В 1940-х годах Мелвин Кельвин провел серию экспериментов, ставших классическими и приведших к открытию фундаментального механизма, с помощью которого растения производят углеводы. Кельвин и его коллеги выращивали водоросли в присутствии радиоактивного углекислого газа, содержащего углерод-14. Прерывая фотосинтез на разных стадиях, они смогли установить химические реакции, происходящие во время темновой фазы.
Цикл Кребса - процесс, в котором солнечная энергия преобразуется в углеводы (см. гликолиз и дыхание), - похож на цикл Кальвина: он также состоит из серии химических реакций, которые начинаются с присоединения входящей молекулы и "вспомогательной" молекулы до начала других химических реакций. Цикл перезапускается после того, как эти реакции одновременно производят конечный продукт и воспроизводят вспомогательную молекулу. Вспомогательной молекулой в цикле Кальвина является пятиуглеродный сахар рибулозодифосфат (РДФ). Химические реакции связывания углерода с образованием углеводов, а затем реакции восстановления рибулозодифосфата осуществляются с помощью накопленной энергии солнца в форме АТФ и НАДФ-Н. Шесть атомов углерода включаются в молекулы глюкозы и других предшественников углеводов на шести витках цикла. Пока есть энергия, химические реакции, составляющие этот цикл, будут продолжаться.
Углекислый газ, который непосредственно участвует в реакциях, связывается с рибулозодифосфатом во время цикла Кальвина, которому следует большинство растений. Поскольку комплекс углекислого газа и рибулозодифосфата распадается на две меньшие молекулы, каждая из которых содержит три атома углерода, эти растения известны как C3-растения. У некоторых растений, таких как кукуруза, сахарный тростник и многочисленные тропические травы, включая ползучую траву, цикл протекает иначе. Дело в том, что стоматы - это отверстия в поверхности листа, через которые обычно поступает углекислый газ. При высоких температурах стоматы закрываются, не позволяя растению терять слишком много воды. Когда стоматы у растений C3 закрываются, прекращается и поступление углекислого газа, что замедляет фотосинтез и изменяет реакции, происходящие во время фотосинтеза. Однако в случае с кукурузой углекислый газ присоединяется к трехуглеродной молекуле на поверхности листа и транспортируется внутрь листа, где он высвобождается и начинается цикл Кальвина. Даже в очень жарких и сухих условиях кукуруза может производить фотосинтез благодаря этому довольно сложному процессу. Поскольку в начале цикла углекислый газ транспортируется как часть четырехуглеродной молекулы, растения, которые проходят этот процесс, называются C4 растениями. C4 растения в основном растут в тропиках, тогда как C3 растения в основном растут в умеренном поясе.
Гипотеза Ван Нила
Следующая химическая реакция описывает процесс фотосинтеза:
В начале 20-го века считалось, что при распаде углекислого газа выделяется кислород, который образуется в процессе фотосинтеза. CO2 + H2O + свет = углевод + O2. Корнелис Бернардус Ван Нил (1897-86), тогда аспирант Стэнфордского университета в Калифорнии, опроверг это мнение в 1930-х годах. Он исследовал пурпурную серную бактерию, которая производит атомарную серу в качестве побочного продукта и требует сероводорода (H2S) для фотосинтеза. Ниже приводится уравнение фотосинтеза для этих бактерий: Ван Нил предположил, что источником кислорода при нормальном фотосинтезе является не углекислый газ, а вода, поскольку серобактерии, в метаболизме которых вместо кислорода участвует сера, при фотосинтезе возвращают эту серу, которая является побочным продуктом фотосинтетических реакций. На основании сходства этих двух процессов Ван Нил сделал вывод, что источником кислорода при нормальном фотосинтезе является не углекислый газ, а вода. Эта гипотеза подтверждается современным углубленным объяснением фотосинтеза: Распад молекулы воды является первым шагом в фотосинтетическом процессе, который осуществляется в фотосистеме II.
КАЛВИН, Мелвин
Мелвин Кельвин, 1911-97
Родился в русской семье в Сент-Поле, штат Миннесота. В 1931 году он окончил Мичиганский горно-технологический колледж со степенью бакалавра по химии, а в 1935 году - Университет Миннесоты со степенью доктора химии. Через два года Кельвин поступил в Калифорнийский университет в Беркли, где в 1948 году стал профессором; за год до этого он был назначен директором департамента биоорганики в Радиационной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. Там он изучал темновую фазу фотосинтеза, используя новые методы хроматографии и технологические достижения военных исследований времен Второй мировой войны. В 1961 году Кельвин получил Нобелевскую премию по химии.
