Краткое содержание: Параграф § 19 / Биология 10 класс

Основные принципы фотосинтеза

Жизнь на Земле напрямую зависит от процесса фотосинтеза, благодаря которому автотрофные организмы синтезируют органические вещества из неорганических соединений, используя при этом энергию Солнца. Фотосинтез играет критическую роль в производстве органических веществ для всей биосферы и в насыщении атмосферы кислородом, необходимым для дыхания. Общее уравнение фотосинтеза, показывающее образование глюкозы, выглядит следующим образом: \( 6CO_2 + 6H_2O \stackrel{свет}{\longrightarrow} C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \). В ходе этого процесса бедные энергией неорганические вещества, такие как углекислый газ и вода, преобразуются в высокоэнергетические органические соединения, в которых солнечная энергия аккумулируется в виде химических связей.

Световая фаза

Световая фаза протекает только при наличии света и локализована на мембранах тилакоидов хлоропластов. Ключевые процессы включают: возбуждение хлорофилла (поглощение квантов света), фотолиз воды (\( H_2O \stackrel{свет}{\longrightarrow} 2H^+ + 2e^- + 1/2O_2 \), выделение \( O_2 \)), синтез АТФ (фотофосфорилирование) и образование НАДФ · 2H (\( \text{НАДФ}^+ + 2H^+ + 2e^- \longrightarrow \text{НАДФ} \cdot 2H \)). Энергия возбуждённых электронов, перемещающихся по электронно-транспортной цепи (ЭТЦ) на мембранах тилакоидов, используется для синтеза молекул АТФ (\( \text{АДФ} + \Phi_н + \text{Энергия} \longrightarrow \text{АТФ} \)). В этом процессе участвуют две фотосистемы (ФС I и ФС II). Суммарное уравнение световой фазы: \( H_2O + \text{НАДФ}^+ + 2\text{АДФ} + 2\Phi_н \longrightarrow \text{НАДФ} \cdot 2H + 2\text{АТФ} + 1/2O_2 \). Интенсивность фотосинтеза в этой фазе наиболее высока под действием сине-фиолетовой и красной частей спектра.

Темновая фаза (Цикл Кальвина)

Темновая фаза протекает в строме хлоропластов. Её основу составляет цикл Кальвина, названный в честь американского учёного Мелвина Кальвина. Основные этапы темновой фазы:

• Фиксация углерода: Присоединение молекулы \( CO_2 \) к пятиуглеродному соединению — рибулозодифосфату (\( C_5 \)).
• Восстановление: Образовавшееся шестиуглеродное соединение распадается на две молекулы трёхуглеродного соединения (триозы), которые затем восстанавливаются до триозофосфата за счёт использования АТФ (фосфорилирование) и НАДФ · 2H (восстановление водородом).
• Синтез глюкозы: Две молекулы триозофосфата соединяются, образуя молекулу глюкозы (\( 2C_3 \longrightarrow C_6H_{12}O_6 \)), которая может превращаться в моно- и полисахариды.
• Регенерация: Большая часть триозофосфатов участвует в циклических реакциях, восстанавливая рибулозодифосфат, чтобы цикл мог повториться. Для образования одной молекулы глюкозы цикл должен повториться шесть раз, т.е. должно усвоиться шесть молекул \( CO_2 \).

Общее уравнение темновой фазы: \( 6CO_2 + 12\text{НАДФ} \cdot 2H + 18\text{АТФ} \longrightarrow C_6H_{12}O_6 + 12\text{НАДФ}^+ + 18\text{АДФ} + 18\Phi_н \). Освободившиеся молекулы АДФ и НАДФ\( ^+ \) возвращаются в мембраны тилакоидов для участия в световых реакциях.

Влияние факторов и значение

Интенсивность фотосинтеза зависит от ряда факторов:

• Длина световой волны: Наиболее интенсивно идёт под действием красных и сине-фиолетовых лучей.
• Концентрация \( CO_2 \): В обычных условиях является ограничивающим фактором; повышение концентрации \( CO_2 \) (например, в теплицах) увеличивает скорость фотосинтеза.
• Температура: Влияет на активность ферментов темновой фазы; оптимальный интервал \( 25–30^\circ \text{C} \).
• Вода: Является важным фактором, хотя её количественное влияние оценить сложнее.

Значение фотосинтеза заключается в том, что это основополагающий процесс в природе, обеспечивающий растениям синтез органических веществ для жизнедеятельности и служащий первичным источником энергии и пищи для всего живого на Земле. Благодаря фотосинтезу поддерживается содержание кислорода в атмосфере, без которого невозможно дыхание большинства организмов.

Основные понятия и процессы фотосинтеза

• Фотосинтез: Преобразование энергии света в химическую энергию органических молекул из неорганических веществ.
• Общее уравнение фотосинтеза (глюкоза): \( 6CO_2 + 6H_2O \stackrel{свет}{\longrightarrow} C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \).
• Световая фаза: Протекает на мембранах тилакоидов при наличии света. Продукты: АТФ, НАДФ · 2H, \( O_2 \).
• Фотолиз воды: Расщепление воды светом, источник \( H^+ \), \( e^- \) и \( O_2 \): \( H_2O \stackrel{свет}{\longrightarrow} 2H^+ + 2e^- + 1/2O_2 \).
• Фотофосфорилирование: Синтез АТФ в световой фазе за счёт энергии электронов.
• Темновая фаза: Протекает в строме хлоропластов. Использует АТФ и НАДФ · 2H для восстановления \( CO_2 \) до глюкозы.
• Цикл Кальвина: Последовательность реакций темновой фазы, приводящая к фиксации \( CO_2 \) и синтезу глюкозы.
• Рибулозодифосфат: Пятиуглеродный акцептор \( CO_2 \) в цикле Кальвина (\( C_5 \)).
• НАДФ · 2H: Восстановленный переносчик водорода, образующийся в световой фазе, источник \( H^+ \) и \( e^- \) для темновой фазы.
• К. А. Тимирязев: Русский ученый, доказавший, что наиболее эффективно фотосинтез протекает в красных лучах спектра.