Что вы помните о фотосинтезе из школьной программы? Вероятно, что благодаря ему вырабатывается весь кислород на планете. Но ведь это не единственная его задача! Более того, кислород вообще является побочным продуктом реакций, происходящих в клетках растения. Рассказываем простыми словами, как происходит фотосинтез и для чего он на самом деле нужен.
Явление, благодаря которому наша планета стала пригодной для жизни – фотосинтез, – возникло порядка 3,7–3,8 миллиарда лет назад. Первые способные к нему организмы ещё не вырабатывали кислород. Бескислородный фотосинтез просто приводил к образованию глюкозы, которую одноклеточные использовали в качестве источника энергии.
Примерно через 2 миллиона лет (по другим данным, этот срок составляет 1–1,4 миллиарда лет) в ходе эволюции появились цианобактерии, которые научились фотосинтезировать с выделением кислорода. Чуть позже возникли многоклеточные водоросли – у них уже были хлоропласты. Изначально атмосфера Земли, как предполагают учёные, состояла из углекислого газа, аммиака, метана и сероводорода.
Но постепенно доля организмов, умеющих выделять O2, среди живой природы увеличилась настолько, что на Земле произошла кислородная катастрофа. Состав атмосферы изменился, поскольку концентрация свободного кислорода в ней значительно возросла. В биосфере возобладали аэробные формы жизни, а над планетой сформировался озоновый слой. Живые организмы получили возможность жить на суше. Однако появление озонового слоя уменьшило парниковый эффект, что привело к Гуронскому оледенению – самому длительному за всю историю планеты. Так привычное для нас и, казалось бы, безобидное явление спровоцировало катастрофу планетарного масштаба.
Кто открыл фотосинтез
Первые исследования по изучению этого процесса начались в 70-х годах XVIII века. Британский химик Джозеф Пристли опытным путём выяснил, что мышь, помещённая под колпак, в который не поступает воздух, задыхается и умирает. Он сделал вывод, что люди и животные «портят» воздух своим дыханием, и предпринял попытку его улучшить, посадив под тот же колпак росток мяты. Мята прекрасно себя чувствовала в «грязном» воздухе. Более того, за несколько дней она даже выросла. А когда под тот же колпак Пристли снова посадил мышь, та осталась жива. Но ровно до того момента, пока не стемнело – использовав весь кислород, что выработало растение за день, животное испустило дух. Именно тогда учёный задумался о том, что на процесс «очистки» воздуха какое-то влияние оказывает солнечный свет.
В 1818 году французы Пьер Жозеф Пеллетье и Жозеф Бьенеме Каванту открыли хлорофилл, а в 1842 году немецкий естествоиспытатель Роберт фон Майер выяснил, что растения используют энергию солнечного света для преобразования её в энергию химических связей. Этому процессу соотечественник Майера Вильгельм Пфеффер в 1877 году дал название «фотосинтез», объединив два греческих слова: «фото», что значит «свет», и «синтез» в значении «создавать».
Занимались изучением фотосинтеза и русские учёные: Климент Аркадьевич Тимирязев и Михаил Семёнович Цвет внесли огромный вклад в исследование хлорофилла, а Андрей Сергеевич Фаминцын доказал, что растения могут фотосинтезировать и под искусственным освещением.
В чём суть фотосинтеза
Как мы знаем, всё живое на планете получает энергию для своей жизнедеятельности из внешней среды. При этом по типу питания организмы делятся на тех, кто «умеет» получать эту энергию, преобразовывая неорганические вещества в органические, и тех, кому для нормального существования нужны уже готовые органические вещества. Иначе, на автотрофов и гетеротрофов. Есть и существа, которые могут питаться обоими способами, их называют автогетеротрофами. Например, венерина мухоловка способна к фотосинтезу, но с удовольствием полакомится насекомыми, то есть органикой в чистом виде.
Автотрофы, в свою очередь, делятся на хемотрофов (это организмы, которые используют энергию окисления серы, азота и других неорганических веществ) и фототрофов, превращающих световую энергию в энергию химических связей.
Если говорить простыми словами, то фотосинтез – это и есть способность растений (и некоторых животных) химическим путём преобразовывать неорганические вещества в органические, используя солнечный свет.
Где происходит фотосинтез
У подавляющего большинства фотосинтезирующих организмов в клетках имеется специальный зелёный пигмент – хлорофилл. Он выполняет функцию «приёмника» – улавливает и поглощает световые волны определённой длины. У хлорофилла есть и «помощники» – дополнительные пигменты (каротиноиды и фикобилины), которые «ловят» те волны, которые не способен принять хлорофилл.
Хлорофилл принимает сине-фиолетовую и красную части спектра, каротиноиды тоже улавливают синие лучи, а фикобилины «охотятся» на волны жёлтой, оранжевой и зелёной части спектра.
Вспомогательные пигменты передают «пойманную» энергию хлорофиллу, а тот активирует реакцию фотосинтеза.
Хлорофилл внутри хлоропласта находится в специальных «мешочках» – тилакоидах. Тилакоиды представляют собой мембраны и напоминают диски, сложенные стопками. Одна такая стопка называется грана. И именно в этих мембранах происходит первая фаза фотосинтеза.
Световая фаза фотосинтеза
Как можно понять из названия, для этой фазы необходим солнечный свет. Молекулы хлорофилла, уловив кванты света, приходят в возбуждение и теряют электрон. Это провоцирует фотолиз (то есть разрушение) молекул воды. Вот как это выглядит, если записать процесс в виде химической формулы:
H2O=H++OH-
4OH=2H2O+O2 ↑
В результате этой реакции из четырёх молекул воды образуются две, выделяется свободный кислород (этот кислород растению не нужен, он является побочным продуктом реакции), и остаётся четыре положительно заряженных иона водорода.
Водород прикрепляется к молекуле НАДФ – сложному коферменту, который относит его в строму хлоропласта. На каждую молекулу НАДФ приходится по два иона водорода.
Стоп! Мы что-то потеряли! Где у нас электрон, который отделился от хлорофилла при возбуждении?
Всё в порядке. Энергия, которая при этом выделилась, используется для восстановления АТФ – аденозинтрифосфата, универсального переносчика энергии. А сам электрон, как и ион водорода, прикрепился к НАДФ.
А дальше начинается вторая фаза.
Темновая фаза фотосинтеза
Пусть название фазы не вводит вас в заблуждение. Вторая часть процесса фотосинтеза не обязательно должна происходить в темноте, поэтому правильнее её называть светонезависимой.
В этой фазе растение или бактерия должны поглотить из внешней среды немного углекислого газа. Содержащийся в нём углерод необходим для образования конечного продукта – глюкозы.
Химическая формула глюкозы – C6H12O6. То есть кроме углерода и кислорода, которые поступили извне, для её создания нужен водород. Его и приносит в строму – жидкость, окружающую граны хлоропласта, – кофермент НАДФ.
В строме начинается цепочка сложных реакций – цикл Кальвина. Из водорода, углерода и кислорода в результате и получается то, ради чего был затеян весь этот сложный процесс – глюкоза. Её организм использует для получения энергии, то есть для питания. А энергия для этого появляется после разрушения АТФ – она теряет один фосфат, превращаясь в АДФ – аденозиндифосфат.
Существует ещё один термин, применяемый к темновой фазе фотосинтеза – восстановление (или фиксация) углерода. Не пугайтесь, он просто означает, что углерод из углекислого газа в процессе цикла Кальвина перешёл в молекулу глюкозы.
Работа сделана. НАДФ, потеряв водород, возвращается обратно в тилакоид. Туда же отправляется и АДФ с «отвалившимся» фосфатом ждать нового восстановления.
Хлоропласты
Что касается цианобактерий, то у них нет отдельных органелл для фотосинтеза. Можно сказать, что они сами целиком являются хлоропластом. Существует даже теория, что хлоропласты многоклеточных водорослей появились в результате симбиотического слияния цианобактерии с водорослью. Проще говоря, в какой-то момент многоклеточный организм поглотил умеющую вырабатывать глюкозу из углекислого газа и солнечного света бактерию и питался за счёт неё. В процессе эволюции это изменение зафиксировалось, и спустя время у водорослей и растений начали формироваться собственные органоиды, способные к фотосинтезу.
Если говорить о растениях, то в их клетках не во всех случаях хлоропласты расположены одинаково. У основной массы цветковых большая часть хлорофилла содержится, конечно, в листьях под эпидермой. Их широкая поверхность позволяет улавливать достаточно много света. Выработанная глюкоза по ситевидным трубкам направляется к остальным органам растения, обеспечивая их энергией. А если её образуется в избытке, она превращается в крахмал и откладывается «про запас» в виде зёрновидных включений там же, в хлоропластах.
В результате эволюции одни растения «перенесли» процесс фотосинтеза в стебель.
Другие приспособились к пустынному климату, используя САМ-фотосинтез. При нём устьица листьев и стеблей днём закрыты, чтобы избежать потери влаги, а ночью открываются. Углекислый газ в этом случае накапливается ночью, а днём запускается не только световая фаза, но и темновая.
В условиях избыточной инсоляции у третьих ткань, в которой расположены хлоропласты, хлоренхима, расположена под гиподермой – дополнительным слоем прозрачных клеток, которые играют роль линзы, рассеивающей «лишний» свет.
У четвёртых же, растущих преимущественно в тени, хлоропласты «встроены» в саму эпидерму, чтобы «поймать» как можно больше света.
А есть ли хлоропласты у животных?
Мы же говорили, что некоторые животные тоже способны к фотосинтезу. Среди них брюхоногий моллюск с красивым названием Elysia chlorotica, морской слизень сакоглоссан, отдельные виды актиний, губок и кораллов, а также саламандра. Своих хлоропластов у них, конечно же, нет. Энергию из солнечного света они получают благодаря симбиозу с цианобактериями или водорослями, которых они могут долгое время удерживать в своём организме.
Значение фотосинтеза
Роль фотосинтеза в природе и жизни человека трудно преувеличить. Как вы помните, он и является причиной образования в атмосфере свободного кислорода, благодаря которому на Земле появилась и продолжает существовать жизнь в привычной нам форме. Случись сбой в этом процессе – и на планете останутся только анаэробные организмы: бактерии, некоторые виды червей, дрожжи и простейшие.
Причём основной источник O2 – это не наземные растения, как мы все привыкли думать. 4/5 всего кислорода вырабатывают мельчайшие зелёные водоросли – фитопланктон, обитающий в морях и океанах.
Фотосинтезирующие организмы поддерживают состав атмосферы, регулируя количество углекислого газа в ней. Озоновый слой, который защищает нас от избытка ультрафиолета, тоже образовался и продолжает существовать только благодаря фотосинтезу.
Кроме того, именно фотосинтез обеспечивает появление органических веществ, которые, собственно, и являются источником пищи всех живых организмов. Растения, получив энергию, наращивают зелёную массу. Ими питаются травоядные животные, а травоядных поедают хищники.
