Фотосинтез и его значение
Источником энергии для всего живого на нашей планете является Солнце. Именно благодаря солнечной энергии происходит образование органических соединений из неорганических. Важнейшую роль в этом процессе играют зеленые растения, сине-зеленые водоросли (цианобактерии) и некоторые простейшие животные. Эти организмы способны преобразовывать энергию солнечного света в энергию химических связей. Такие живые организмы называются фототрофами или фотосинтетиками.
А сам процесс образования органических соединений из неорганических под действием солнечного света и с участием ферментов называется фотосинтезом.
Благодаря процессу фотосинтеза на нашей планете накапливается масса органического вещества и в атмосферу выделяется кислород (как побочный продукт фотосинтеза). В этом состоит главнейшее планетарное (космическое) значение фотосинтеза, как биохимического процесса. В процессе фотосинтеза выделяют световую и темновую фазы. Рассмотрим этот вопрос детальнее.
Световая фаза фотосинтеза
Центральная роль в процессе фотосинтеза принадлежит хлорофиллу – фотосинтезирующему пигменту, органическому веществу зеленого цвета, который и превращает энергию Солнца в энергию химических связей. Хлорофилл содержится в специализированных пластидах – хлоропластах.
Начинается процесс фотосинтеза с попадания солнечного света на хлоропласт. Свет поглощается молекулой хлорофилла. Один из электронов молекулы хлорофилла переходит в возбужденное состояние и попадает на внешнюю поверхность мембраны тилакоида хлоропласта. Так он приобретает определенную энергию.
Избыточная энергия возбужденных электронов порождает два процесса. Первый - расщепление воды, в результате которого образуются свободные атомы водорода и $OH$-радикалы.
Второй процесс – синтез АТФ. Эти процессы происходят в двух фотосистемах. Их так и называют: фотосистема І и фотосистема ІІ. Эти два процесса происходят в хлоропласте в фазе поглощения света хлорофиллом. Так как эти процессы происходят на свету, их объединяют в световую фазу фотосинтеза.
Темновая фаза фотосинтеза
Дальнейшие реакции фотосинтеза связаны с образованием углеводов. Они могут происходить как при свете, так и в темноте. Поэтому они носят название темновой фазы. Совокупность этих процессов представляет собой ряд последовательных реакций с участием ферментов, в результате которых из бедных на энергию веществ (оксида углерода и воды) образуются углеводы – вещества, богатые на энергию.
Для совершения темновых реакций в хлоропласт непрерывно поступают исходные вещества и энергия. Оксид углерода (углекислый газ) поступает в листок из атмосферы. Водород образуется из воды в световой фазе фотосинтеза при расщеплении воды. А источником энергии является АТФ, синтезированная в световой фазе фотосинтеза. Все эти вещества поступают в хлоропласт, где и происходит синтез углеводов.
Значение фотосинтеза трудно переоценить. Ежегодно растительность Земли связывает около $170$ млрд. т углерода. Кроме того растения вводят в синтез миллиарды тонн азота, фосфора, серы, кальция, магния и других элементов. За год растения синтезируют более $100$ млрд. т органических веществ.
Фотосинтезирующие пигменты
Фотосинтез происходит при участии специальных органических веществ. Они носят название фотосинтезирующих пигментов. Это светочувствительные вещества белковой природы, в которых под воздействием солнечного света происходит активизация электронов. Эти пигменты делятся на три класса:
- зеленые – хлорофиллы,
- желтые – каротиноиды,
- синие и красные – фикобилины.
Каротиноиды, в свою очередь, делятся на каротины и ксантофиллы.
В хлоропластах клеток зеленых растений могут содержаться от одного до нескольких хлорофиллов и от одного до трех каротинов и несколько ксантофиллов. Фикобилины встречаются в виде белковых комплексов – билипротеинов у красных и сине-зеленых водорослей.
