Что осуществляет фотосинтез у водорослей

Обновлено: 04.07.2024

Что такое фотосинтез?

Фотосинтез – биохимический процесс, во время которого с помощью особых пигментов растений и энергии света из неорганических веществ (углекислого газа, воды) возникают органические. Это один из наиболее важных процессов, за счет которого появилось и продолжает существовать большинство организмов на планете.

Интересный факт : к фотосинтезу способны наземные растения, а также зеленые водоросли. При этом водоросли (фитопланктон) вырабатывают 80% кислорода.

Значение фотосинтеза для жизни на Земле

Без фотосинтеза вместо множества живых организмов на нашей планете существовали бы одни лишь бактерии. Именно энергия, полученная в результате данного химического процесса, позволила бактериям эволюционировать.

Любые природные процессы нуждаются в энергии. Она поступает от Солнца. Но правильную форму солнечный свет приобретает лишь после того, как преобразовывается растениями.

Растения используют лишь часть энергии, а остальную накапливают в себе. Ими питаются травоядные животные, которые являются пищей для хищников. В ходе образовавшейся цепочки каждое звено получает необходимые ценные вещества и энергию.

Кислород, вырабатываемый в ходе реакции, необходим для дыхания всем существам. Дыхание представляет процесс, противоположный фотосинтезу. При этом органические вещества окисляются, разрушаются. Полученная энергия используется организмами для выполнения различных жизненно необходимых задач.

В период существования планеты, когда растений было мало, кислород практически отсутствовал. Примитивные формы жизни получали минимум энергии другими способами. Ее было слишком мало для развития. Поэтому дыхание за счет кислорода открыло более широкие возможности.

Еще одна функция фотосинтеза – защита организмов от воздействия ультрафиолетового света. Речь идет об озоновом слое, находящемся в зоне стратосферы на высоте около 20-25 км. Образуется он за счет кислорода, который превращается в озон под действием солнечного света. Без этой защиты жизнь на Земле ограничивалась бы только подводными организмами.

Организмы выделяют во время дыхания углекислый газ. Он является обязательным элементом фотосинтеза. В противном случае углекислый газ просто накапливался бы в верхних слоях атмосферы, значительно усиливая парниковый эффект.

Это серьезная экологическая проблема, суть которой состоит в повышении температуры атмосферы с негативными последствиями. К ним относится изменение климата (глобальное потепление), таяние ледников, повышение уровня Мирового океана и др.

выделение кислорода;
образование энергии;
образование питательных веществ;
создание озонового слоя.

Определение и формула фотосинтеза

Углекислый газ + вода + свет = углевод + кислород.

Научная формула фотосинтеза:

6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2.

Фотосинтез происходит так, что непосредственный контакт воды и СО2 не наблюдается.

Значение фотосинтеза для растений

Растениям для роста и развития требуются органические вещества, энергия. Благодаря фотосинтезу они обеспечивают себя данными компонентами. Создание органических веществ – основная цель фотосинтеза для растений, а выделение кислорода считается побочной реакцией.

Как происходит фотосинтез?

Фотосинтез протекает непосредственно в зеленых частях растений – хлоропластах . Они входят в состав растительных клеток. Хлоропласты содержат вещество – хлорофилл . Это и есть тот основной фотосинтетический пигмент, благодаря нему происходит вся реакция. Кроме того, хлорофилл определяет зеленый цвет растительности.

Вода поступает через корневую систему растения, а газ проникает непосредственно в листья. Свет выступает в качестве источника энергии. Когда частица света действует на молекулу хлорофилла, происходит ее активация. В молекуле воды H2O кислород (O) остается невостребованным. Таким образом, он становится побочным для растений, но таким важным для нас, продуктом реакции.

Фазы фотосинтеза

Фотосинтез делится на две стадии: световую и темновую. Протекают они одновременно, но в разных частях хлоропласта. Название каждой фазы говорит само за себя. Световая или светозависимая фаза происходит только при участии частиц света. Темновой или светонезависимой фазе наличие света не требуется.

Прежде чем рассматривать каждую фазу подробнее, стоит разобраться в строении хлоропласта, поскольку оно определяет суть и место протекания стадий. Хлоропласт является разновидностью пластид и внутри клетки расположен отдельно от остальных ее компонентов. Он имеет форму зернышка.

Составляющие части хлоропласта, участвующие в фотосинтезе:

2 мембраны;
строма (внутренняя жидкость);
тилакоиды;
люмены (просветы внутри тилакоидов).

Световая фаза фотосинтеза

Протекает на тилакоидах, точнее, их мембранах. Когда на них попадает свет, выделяются и накапливаются негативно заряженные электроны. Таким образом, фотосинтетические пигменты лишаются всех электронов, после чего наступает очередь распада молекул воды:

При этом образованные протоны водорода имеют положительный заряд и копятся на внутренней мембране тилакоида. В итоге протоны с зарядом плюс и электроны с зарядом минус разделены лишь мембраной.

Происходит выработка кислорода, как побочного продукта:

В определенный момент фазы электронов и протонов водорода становится слишком много. Тогда в работу вступает фермент – АТФ-синтаза. Его задача состоит в том, чтобы переместить протоны водорода из мембраны тилакоида в жидкую среду хлоропласта – строму.

На этом этапе водород попадает в распоряжение другого переносчика – НАДФ (сокращение от никотинамиддинуклеотидфосфат). Это также разновидность фермента, который ускоряет окислительные реакции в клетках. В данном случае его работа состоит в транспортировке протонов водорода в реакции углеводов.

На данной стадии происходит процесс фотофосфолирования, во время него вырабатывается огромное количество энергии. Ее источником является АТФ – аденозинтрифосфорная кислота.

Попадание кванта света на хлорофилл.
Выделение электронов.
Выделение кислорода.
Образование НАДФН-оксидазы.
Образование энергии АТФ.

Интересный факт : существует реликтовое растение под названием вельвичия, растущее на африканском побережье Атлантического океана. Это единственный представитель своего рода с минимумом листьев, способных к фотосинтезу. Однако возраст вельвичий достигает около 2000 лет.

Темновая фаза фотосинтеза

Светонезависимая фаза происходит непосредственно в строме. Она представляет собой ряд ферментативных реакций. Углекислый газ, поглощенный на световой стадии, растворился в воде, а на этом этапе он восстанавливается до глюкозы. Также вырабатываются сложные органические вещества.

Реакции темновой фазы делятся на три основных типа и зависят от вида растений (точнее, их метаболизма), в клетках которых происходит фотосинтез:

С3-растения;
С4-растения;
САМ-растения.

К С3-растениям относится большая часть культур сельскохозяйственного назначения, которые растут в умеренном климате. В ходе фотосинтеза у них углекислый газ становится фосфоглицериновой кислотой.

К С4-растениям принадлежат субтропические и тропические виды, преимущественно сорняки. Для них характерна трансформация углекислого газа в оксалоацетат. САМ-растения – категория растений, которым не хватает влаги. Они отличаются особенным видом фотосинтеза – CАМ.

С3-фотосинтез

Наиболее распространенным является С3-фотосинтез, который также именуется циклом Кальвина – в честь американского ученого Мелвина Кальвина, который внес огромный вклад в изучение данных реакций и получил за это Нобелевскую премию.

Растения называются С3 из-за того, что во время реакций темновой фазы образуются 3-углеродные молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты – 3-PGA. Непосредственное участие принимают различные ферменты.

Чтобы образовалась полноценная молекула глюкозы, должно пройти 6 циклов реакций светонезависимой фазы. Углевод – главный продукт фотосинтеза в цикле Кальвина, но помимо него вырабатываются жирные и аминокислоты, а также гликолипиды. У С3 растений фотосинтез проходит исключительно в клетках мезофилла.

Главный недостаток С3-фотосинтеза

Растения, относящиеся к группе С3, характеризуются одним существенным недостатком. Если в окружающей среде отмечается недостаточный уровень влаги, способность к фотосинтезу существенно снижается. Это происходит по причине фотодыхания.

Дело в том, что при невысокой концентрации углекислого газа в хлоропластах (меньше 50:1 000 000) вместо фиксации углерода происходит фиксация кислорода. Специальные ферменты существенно замедляются и расходуют солнечную энергию впустую.

Одновременно с этим замедляется рост и развитие растения, поскольку оно недополучает органические вещества. Также не происходит выброс кислорода в атмосферу.

Интересный факт : морской слизень Elysia chlorotica – уникальное животное, которое осуществляет фотосинтез как растения. Оно питается водорослями, хлоропласты которых проникают в клетки пищеварительного тракта и фотосинтезируют там на протяжении месяцев. Вырабатываемые углеводы служат для слизня пищей.

С4-фотосинтез

В отличие от C3-синтеза, здесь реакции фиксации углекислого газа осуществляются в различных клетках растений. Эти виды растений способны справляться с проблемой фотодыхания, и делают они это при помощи двухэтапного цикла.

С одной стороны поддерживается высокий показатель углекислого газа, а с другой – контролируется низкий уровень кислорода в хлоропластах. Подобная тактика позволяет растениям С4 избежать фотодыхания и связанных с ним сложностей. Представителями растений данной группы являются сахарный тростник, кукуруза, просо и др.

По сравнению с растениями С3 они способны намного интенсивнее выполнять процессы фотосинтеза при условии высокой температуры и недостатка влаги. На первом этапе углекислый газ фиксируется в клетках мезофилла, где образуется 4-углеродная кислота. Затем кислота переходит в оболочку и распадается там на 3-углеродное соединение и углекислый газ.

На втором этапе полученный углекислый газ начинает работать в цикле Кальвина, где вырабатывается глицеральдегид-3-фосфат и углеводы, необходимые для энергетического обмена.

Благодаря двухэтапному фотосинтезу в растениях С4 образуется достаточное для цикла Кельвина количество углекислого газа. Поэтому ферменты работают в полную силу и не растрачивают энергию напрасно.

Но у и этой системы есть свои минусы. В частности расходуется больший объем энергии АТФ – она необходима для трансформации 4-углеродных кислот в 3-углеродные и в обратном направлении. Таким образом, С3-фотосинтез всегда продуктивнее, чем С4 при должном количестве воды и света.

Что влияет на скорость фотосинтеза?

Фотосинтез может протекать с различной скоростью. Этот процесс зависит от условий окружающей среды:

вода;
длина волны света;
углекислый газ;
температура.

Вода является основополагающим фактором, поэтому при ее недостатке реакции замедляются. Для фотосинтеза наиболее благоприятны волны красного и сине-фиолетового спектра. Также предпочтительнее высокая степень освещенности, но лишь до определенного значения – при его достижении связь между освещенностью и скоростью реакции исчезает.

Высокая концентрация углекислого газа обеспечивает быстрые фотосинтетические процессы и наоборот. Определенная температура важна для ферментов, которые ускоряют реакции. Идеальные условия для них – около 25-30℃.

Фотодыхание

Дышать необходимо всем живым существам, и растения не являются исключением. Однако этот процесс у них происходит немного иначе, чем у людей и животных, отчего носит название фотодыхания.

В целом, дыхание – физический процесс, во время которого живой организм и окружающая его среда обмениваются газами. Как и всему живому, растениям для дыхания нужен кислород. Но потребляют они его гораздо меньше, чем вырабатывают.

В ходе фотосинтеза, который происходит только при солнечном свете, растения создают для себя пищу. Во время фотодыхания, которое осуществляется круглосуточно, эти питательные вещества ими поглощаются с целью поддержки метаболизма внутри клеток.

Интересный факт : в течение солнечного дня участок леса площадью 1 гектар потребляет от 120 до 280 кг углекислого газа и выделяет от 180 до 200 кг кислорода.

Кислород (как и углекислый газ) проникает в клетки растений через особые отверстия – устьица. Они располагаются в нижней части листочков. На одном листе может располагаться около 1000 устьиц.

Две трети поверхности земного шара занимают моря и океаны. Да и на материках бесчисленное количество озер, рек, водоемов, увлажненной поверхности почвы, куда так или иначе проникает солнечный свет. Все эти места населены микроскопическими водорослями, относящимися к различным семействам, родам, видам и обладающими разными свойствами. Их очень много. За последние годы пристальное внимание ученых привлекла к себе пресноводная одноклеточная водоросль — хлорелла.

Свободно живущие клетки этой водоросли обладают фотосинтетическим аппаратом — хроматофором (одно из разновидностей хлоропластов), содержащим хлорофилл.

Особое свойство хлореллы в том, что клетки ее обитают в водной среде и благодаря этому для них не существует проблемы недостаточного водоснабжения, а также быстрых и резких чрезмерных колебаний температуры внешней среды. Питательные вещества — углекислый газ, элементы минерального питания клетки водоросли получают непосредственно из окружающей жидкой среды, усваивая их всей своей поверхностью. Начальные продукты питания и продукты фотосинтеза производятся и используются на месте, в одной и той же клетке, без сложных транспортировок из одних органов в другие, без необходимости создавать сложные транспортные системы и органы, связывающие растения с почвой и воздушной средой. Живая клетка водоросли несет обязанности и органа размножения. Она дает автоспоры — зачаточные образования, из которых возникают дочерние клетки. Каждая дочерняя клетка, осуществляя фотосинтез, растет и в свою очередь достигает больших размеров и зрелости. Внутри ее образуются две, четыре, а в хороших условиях 16 автоспор. Разрывая оболочку материнской клетки, они выпадают в жидкую среду, давая новое поколение дочерних клеток, содержащих много хлорофилла и способных опять быстро начать энергичный фотосинтез, расти и осуществить такой же жизненный цикл, как и клетки предшествующих поколений. У очень активных форм цикл жизни определяется 8 часами. Таким образом, за сутки могут завершить жизнь три поколения, дав начало четвертому.

Если даже в среднем каждая клетка будет давать 4 дочерних, то и при этом суточный коэффициент размножения, а, следовательно, и умножения органического вещества за счет фотосинтеза может достигнуть 64. Такой быстрый фотосинтез и прирост биомассы может осуществляться в очень благоприятных условиях и, в частности, тогда, когда плотность суспензий очень невелика, например, не свыше 2—3 млн, клеток в см 3 жидкости.

Схема размножения клеток хлореллы

В этом случае суспензия почти прозрачна, свет проникает в ее глубину без особых препятствий, все клетки освещаются, не мешая друг другу, и не проявляется борьба между ними за углекислоту и минеральное питание. Однако начальная биомасса клеток в жидкости в этом случае ничтожна и даже суточное увеличение ее в 64 раза не может дать сколько-нибудь значительной продукции. В благоприятных условиях, благодаря быстрому размножению клеток, плотность суспензии быстро и сильно возрастает и в конце концов может достигнуть одного, двух и больше миллиардов клеток в 1 см 3 . При этом суспензии приобретают очень высокую оптическую плотность, свет может проникать внутрь суспензии на глубину не больше 1—2 мм, остальные клетки не получают света, но дышат и расходуют органические вещества. Кроме того, им начинает не хватать элементов минерального питания и в конце концов рост плотности суспензии или нарастание биомассы прекращается.

График, поясняющий характеристику работы установки по непрерывному производству хлореллы. А — кривая, характеризующая изменения плотности суспензии; Б — то же для коэффициента размножения; В — суточные приросты биомассы; М — максимум, соответствующий наибольшей производительности работы установки

Наибольшее абсолютное нарастание органических веществ в результате фотосинтеза происходит при некоторой оптимальной при данных условиях плотности суспензии. Коэффициент размножения клеток при этом хотя и снижается, но зато исходная масса в суспензии достаточно велика и даже при сниженных коэффициентах размножения общий результат фотосинтеза оказывается наивысшим.

В этом состоянии суспензии из нее можно непрерывно отбирать нарастающую биомассу, состоящую в основном из органических веществ, как продуктов фотосинтеза, и поддерживать суспензию на уровне оптимальной плотности, добавляя взамен отбираемой части чистый раствор питательных солей. Такая суспензия будет непрерывно осуществлять фотосинтез и равномерно выдавать продукцию его в виде органического вещества.

Схема установки по непрерывному производству биомассы хлореллы: 1 — бак с суспензией водорослей, 2 — сепаратор, 3 — отстойник, 4 — переработка биомассы

В данном случае мы описали принцип высокопроизводительной биологической фотосинтезирующей системы, в которую вводится энергия в виде света, подаются исходные питательные вещества в виде углекислого газа и минеральных солей. В такой установке с помощью автоматической системы на выходе отбирается готовая продукция, непрерывно получаемая при оптимальном режиме работы суспензии. Интереснейшая особенность этой системы заключается также в том, что в ней фотосинтетический аппарат не только выдает нужную нам продукцию, но и непрерывно сам себя обновляет, воссоздает и обеспечивает таким образом непрерывную равномерную работу системы в течение произвольно длительного времени.

Замечательные свойства подобной системы можно умножить. Непрерывный высокий выход фотосинтетической продукции обеспечивается обильным питанием азотом, поддерживающим не только интенсивный фотосинтез, а и очень энергичное размножение клеток. В этом случае на выходе из системы получается биомасса с высоким содержанием белков (до 50%), а белки — основа жизни и ценнейшая часть кормов и пищи.

Но в ряде случаев выгодно или необходимо получать органическую биомассу, богатую углеводами или жирами. Для этого отбираемую из первого основного реактора суспензию с энергично растущими клетками после ее концентрирования помещают в другой реактор с питательной средой, бедной азотом. Здесь суспензия обильно освещается и хорошо снабжается углекислым газом.

В этих условиях клетки энергично фотосинтезируют, но не столь энергично размножаются. Вместо этого они сильно увеличиваются в размерах, заполняясь углеводами и жирами. Выдержав в этих условиях суспензию, можно получать биомассу, в составе которой может быть много углеводов (до 50%) или жиров (до 60%).

Таким образом, можно управлять фотосинтезом описанных систем, не только увеличивая его КПД, но и получая продукцию разного химического состава. В дальнейшем, путем подбора соответствующих форм водорослей и режимов их культуры, вероятно, можно будет получать и другие специализированные продукты, богатые витаминами, ферментами, физиологически активными, и даже техническими веществами, необходимыми для их использования в промышленности.

Остается выяснить, какими могут быть коэффициенты полезного действия такой непрерывно действующей фотосинтезирующей системы.

В очень разбавленной суспензии, когда клетки водоросли не затеняют друг друга, как показывают графики, плато кривой фотосинтеза, характеризующее оптимальный режим процесса, начинается при освещенности 5—10 тыс. люкс. Если суспензия в плоской кювете освещается светом, не превышающим интенсивности в 5—10 тыс. люкс, то каждая отдельная клетка использует поглощаемый ею свет с высоким КПД, соответствующим 20—25%.

Но пропуская большую часть света через себя, слабая суспензия поглощает мало света. Общий КПД всей суспензии в целом низок. Отсюда ясно, что для того чтобы повысить выход фотосинтеза и КПД, надо либо увеличить толщину слоя (что не всегда выгодно), либо повысить плотность суспензии. Повышать плотность суспензии надо так, чтобы в самых глубоких ее слоях оставался свет, интенсивность которого не спускалась бы ниже величины, соответствующей компенсационному пункту фотосинтеза. В этом случае суспензия могла бы работать с коэффициентом полезного действия, равным примерно 25%.

Однако при низких интенсивностях света общая суммарная продуктивность фотосинтеза на единицу освещаемой площади суспензии будет низкой. Как видно, в этом случае стремление иметь высокий КПД фотосинтеза оказалось в некотором противоречии с требованием общей высокой производительности системы.

Для того чтобы удовлетворить и второе требование, необходимо работать при более высоких плотностях суспензий, т. е. увеличивать оптическую их плотность. Но если при этом не увеличить интенсивность света, то клетки глубоких слоев не будут получать достаточного для фотосинтеза количества света. Эти клетки будут тратить органические вещества на дыхание. Увеличивая плотность суспензии, мы должны также увеличивать и интенсивность света.

В этих случаях самые наружные клетки будут освещаться светом излишне высоких интенсивностей и будут работать с пониженным КПД в зоне плато световой кривой фотосинтеза. Но в более выгодных условиях будут находиться клетки внутренних слоев. Это повысит общий выход продукции, но снизит коэффициент .полезного действия фотосинтеза суспензии.

В разных случаях з зависимости от задачи и цели работы, от доступности условий приходится ориентироваться либо на необходимость получать высокие выходы продукции с единицы освещаемой площади или объема суспензии (но при этом приходится мириться со сниженным КПД использования света). Либо, наоборот, приходится стремиться получать высокий КПД использования света, но со сниженными абсолютными выходами биомассы. Отыскание условий наиболее выгодных для тех или иных целей и техники культуры водорослей обычно осуществляется путем математического анализа, тем более оправдывая оценку подобных фотосинтезирующих систем, как систем инженерно-биологических. Такой подход по отысканию оптимальных вариантов культуры особенно необходим в тех ответственных случаях, когда предполагается использование культуры водорослей в условиях космических полетов, где они, осуществляя фотосинтез, могут и поддерживать на нормальном уровне состав воздуха, освобождая его о г углекислого газа и обогащая кислородом. Здесь нужна особенно высокая производительность и надежность работы подобных систем.

Все это требует усиленной работы по улучшению конструкции специальных аппаратов — реакторов, разработки наилучших условий освещения, питания клеток, перемешивания суспензии и, наконец, подбора для культуры наиболее выгодных форм водорослей. Это так называемые термофильные, теплолюбивые формы. Они легче переносят свет высоких интенсивностей и лучше на него отзываются.

При хороших условиях можно рассчитывать на то, что совершенные системы интенсивной культуры одноклеточных водорослей смогут использовать энергию поглощаемого ими света с КПД в 15—20%.

Мы знаем, что растение потребляет воду и солнечный свет, а в результате производит кислород. Но как это происходит? Чтобы понять, нужно рассмотреть процесс с точки зрения не только биологии, но и химии и физики. Каждая наука раскрывает свою сторону процесса, но, только объединившись, они дают целостную картину фотосинтеза.

Процесс фотосинтеза включает 2 фазы: световую, которая проходит на мембранах тилакоидов в присутствии света и темновую, которая не зависит от света и протекает в строме хлоропласта. В фотосинтезе участвуют многочисленные пигменты (особенно хлорофилл). В результате перемещения электронов по цепочке переносчиков запасается энергия в макроэргических связях АТФ, которая в последствии затрачивается на синтез углеводов в цикле Кальвина.

В виде побочного продукта фотосинтеза выделяется кислород, который используется многими организмами для дыхания. Благодаря ему, наша планета защищена от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей. В противном случае, УФ- излучение способно вызвать у человека ожоги кожи и роговицы, генетические мутации. Фотосинтез обеспечивает питанием огромное количество живых организмов.

Состоит из черешка и листовой пластинки; выполняет функцию газообмена, транспирации, гуттации, фотосинтеза.

Процесс потребления организмом питательных веществ для поддержания нормального функционирования физиологических процессов

Пигменты, участвующие в фотосинтезе

Фотосинтез может осуществляться только с помощью определенных веществ — пигментов. Фотосинтетические пигменты высших растений делятся на две группы: хлорофиллы и каротиноиды.

Локализация

Пигменты локализованы в мембранах хлоропластов. В хлоропласте содержится около 400 молекул хлорофилла. Хлоропласты обычно располагаются в клетке так, чтобы их мембраны находились под прямым углом к источнику света, что гарантирует максимальное поглощение света (они могут перемещаться в клетке, в зависимости от того, как падает свет).

Хлорофилл

У растений в фотосинтезе участвует пигмент хлорофилл, который содержится в хлоропластах на мембранах тилакоидов. Хлорофилл придает хлоропластам и всему растению зеленую окраску. Хлорофилл обладает уникальным свойством: он умеет поглощать энергию солнечного света, переходя в возбужденное состояние.

Хлорофиллы поглощают главным образом красную и сине-фиолетовую часть спектра. Зеленую часть спектра они отражают и потому придают растениям характерную зеленую окраску, если только ее не маскируют другие пигменты.

Пигменты содержатся не только в клетках высших растений, но и в клетках водорослей. В клетках водорослей отдела Зеленых преобладает пигмент хлорофилл. Именно поэтому данный тип водорослей окрашен в различные оттенки зеленого.

В красных водорослях очень много пигмента фикоэритрина, характеризующегося красным цветом. Этот пигмент и придает данному отделу этих растений соответствующий цвет.

В бурых водорослях присутствует пигмент фукоксантин – бурого цвета.
То же самое можно сказать о водорослях других цветов – желто-зеленых, сине-зеленых. В каждом случае цвет определяется каким-то пигментом или их сочетанием.

Каротиноиды поглощают солнечный свет (особенно в коротковолновой — сине-фиолетовой — части спектра) и поглощенную энергию передают хлорофиллу, а также защищают хлорофилл от избытка света и от окисления кислородом, выделяющимся при фотосинтезе.

Каротиноиды постоянно присутствуют в листьях, но незаметны из-за присутствия хлорофилла. Зато осенью, когда хлорофилл разрушается, каротиноиды становятся хорошо видны. Именно они придают листьям желтую и красную окраску.

Универсальность молекулярного состава организмов

Биологические молекулы часто бывают универсальны и встречаются у совершенно разных организмов. Такая структура как молекула хлорофилла встречается у растений, а также у некоторых бактерий, но близкая ей по химическому составу молекула есть и у нас с вами. Это гемоглобин - железосодержащий белок крови животных. Различаются эти молекулы только центральными атомами железа, от которых, главным образом, и зависят основные функции этих веществ.

В зависимости от пигментного состава, водоросли могут поглощать солнечную энергию на разной глубине. Таким образом, увидев водоросль на картинке или в магазине, вы сможете сказать примерную глубину, на которой эта водоросль могла расти. Например, зеленые водоросли распространены на глубине до 30 м, поскольку более активно поглощают красный свет.

Красные водоросли, живущие на глубине от 50 до 200 м, осуществляют фотосинтез, используя слабый голубоватый зеленый свет, который проникает через толщу воды.

Световая фаза

Хлорофиллы объединяются в фотосистемы. Каждая фотосистема состоит из светособирающего комплекса, реакционного центра и переносчиков электронов. В них происходит возбуждение электрона, переход его по цепочке переносчиков, синтез АТФ и выделение О2 как побочного продукта . Световая фаза протекает на мембранах тилакоидов в хлоропластах исключительно при участии света.

Возбуждение хлорофиллов и перемещение электрона

Есть два типа фотосистем. Различаются они тем, что принимают разную длину волны света. Фотосистема II поглощает волны 680 нм за счет хлорофилла P680, а фотосистема I - свет длиной 700 нм за счет хлорофилла P700.

Молекулы хлорофилла фотосистем поглощают квант света. Один электрон каждой из них переходит на более высокий энергетический уровень (возбуждается) и перемещается далее по цепи переносчиков.

Фотолиз воды и образование кислорода

Одновременно с работой фотосистем происходит процесс распада воды под действием солнечного света. Этот процесс называется фотолиз.

В результате фотолиза образуются свободные электроны, кислород, ионы водорода. Электроны восполняют фотосистему II. Кислород выделяется в атмосферу. Ионы водорода накапливается в полости тилакоидов.

В полости тилакоида накапливается большой избыток ионов водорода, что приводит к созданию на мембране тилакоида градиента концентрации этих ионов.

Синтез молекул АТФ и образование НАДФ*2Н

Электрон проходит по цепи переносчиков (белков мембраны хлоропласта). В процессе этого перехода от одного переносчика к другому, электрон выделяет энергию, которая впоследствии тратится на синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата (Фн).

Градиент используется ферментом АТФ-синтетазой для синтеза АТФ из АДФ и фосфата. Происходит перенос ионов водорода через мембрану восстановленным переносчиком НАДФ (никотинамидадениндинуклеотид-фосфатом) с образованием НАДФ*Н.

Далее этот водород, который присоединил к себе НАДФ, тратится на синтез углеводов в цикле Кальвина в темновой фазе фотосинтеза.

Таким образом, энергия света запасается в световой фазе фотосинтеза в виде двух типов молекул: восстановленного переносчика НАДФ*Н и макроэргического соединения АТФ.

Открытие фотосистем

Роберт Эмерсон путем опытов с 1942 по 1957 год анализировал влияние длины световой волны на квантовый выход фотосинтеза у одноклеточной водоросли хлореллы, то есть количество кислорода, выделившегося в процессе фотосинтеза в расчете на 1 квант поглощенной энергии.

Эмерсон установил, что у хлореллы наиболее эффективным для фотосинтеза был красный свет с длиной волны от 650 до 680 нм и синий свет с длиной волны от 400 до - 460 нм. Именно этот свет поглощается хлорофиллом. Он также вычислил, что фотосинтетическая эффективность красного света была на 36% выше, чем синего.

В следующих опытах было показано, что если клетки освещать красным светом с длиной волны от 650 до 680 нм, то квантовый выход достаточно высок.

Однако при дальнейшем увеличении длины волны света свыше 685 нм, квантовый выход фотосинтеза резко падает.

Если же хлореллу освещать и коротковолновым (650 нм) и длинноволновым (700 нм) красным светом, суммарный эффект будет больше, чем при действии каждого луча в отдельности. Это явление получило название эффекта усиления Эмерсона и дало возможность Эмерсону предположить, что в растениях существуют две фотосинтезирующие системы, которые должны работать согласованно.

Предположение Эмерсона легло в основу современной модели Z-фотосинтеза и дало толчок к исследованию физических, химических и функциональных свойств фотосистемы I и фотосистемы II.

Слоевище (таллом) – это тело многоклеточных низших растений.

Ткань – это группа клеток и межклеточного вещества, имеющих сходное строение и выполняющих общие функции.

Орган – это часть организма, имеющая определённое строение, занимающая определённое положение и выполняющая определённые функции.

Фотосинтез – это процесс образования органических соединений из неорганических за счёт энергии света.

Лишайник – единый организм, в котором гриб снабжает водоросли водой с растворёнными в ней минеральными веществами, а водоросли в процессе фотосинтеза образуют органические вещества, необходимые грибу.

Ботаника – наука о растениях.

Обязательная и дополнительная литература по теме

Биология. 5–6 классы. Пасечник В. В., Суматохин С. В., Калинова Г. С. и др. / Под ред. Пасечника В. В. М.: Просвещение, 2019
Биология. 6 класс. Теремов А. В., Славина Н. В. М.: Бином, 2019.
Биология. 5 класс. Мансурова С. Е., Рохлов В. С., Мишняева Е. Ю. М.: Бином, 2019.
Биология. 5 класс. Суматохин С. В., Радионов В. Н. М.: Бином, 2014.
Биология. 6 класс. Беркинблит М. Б., Глаголев С. М., Малеева Ю. В., Чуб В. В. М.: Бином, 2014.
Биология. 6 класс. Трайтак Д. И., Трайтак Н. Д. М.: Мнемозина, 2012.
Биология. 6 класс. Ловягин С. Н., Вахрушев А. А., Раутиан А. С. М.: Баласс, 2013.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В процессе эволюции на нашей планете земля, сформировалось огромное количество разных живых организмов, но часть из этих организмов уникальны – это зелёное растение. Только они могут синтезировать органические вещества при помощи энергии солнечного света, при этом выделяется в атмосферу газ – кислород.

Где происходит этот процесс? Это особый пигмент – хлорофилл. Он зелёного цвета. В отличие от животных, растения, как правило, ведут малоподвижный образ жизни. Они прикрепляются к почве, чтобы оттуда поглощать воду и минеральные соли, которые также будут идти в процессе жизнедеятельности на процесс фотосинтеза. А ещё растения часть углеводов откладывают про запас. Он превращается в крахмал, благодаря этому растения растут в течение всей жизни.

Не все зелёные растения появились на земле одномоментно. В далёком прошлом жизнь была возможна только в водной среде, именно в этой водной среде появились первые зелёные растения. О них сегодня и пойдёт наш разговор.

Разнообразие растений. Царство Растения объединяет более 320 тыс. видов и представлено самыми разнообразными формами – от одноклеточных микроскопических водорослей до огромных деревьев, возвышающихся над землёй более чем на 100 м.

Растения занимают всевозможные места обитания. Их можно встретить в открытом океане, сухих пустынях, горах и на побережье Антарктиды. Различна продолжительность жизни растений. Существуют дубы, которым более 1000 лет, но есть растения, живущие всего несколько месяцев, недель и даже дней.

Все растения в зависимости от строения традиционно подразделяют на низшие и высшие.

Тело наиболее примитивных низших растений может состоять из одной клетки. Тело многоклеточных низших растений называют слоевищем или талломом (от греч. таллос – молодая ветка, росток). У этих растений нет ни корней, ни стеблей, ни листьев. Низшие растения не имеют сложного тканевого строения.

Ткани появляются у высших растений. Ткань – это группа клеток и межклеточного вещества, имеющих сходное строение и выполняющих общие функции.

У высших растений тело расчленено на органы – листостебельные побеги и корни (за исключением мхов), которые состоят из различных тканей.

Орган (греч. органон – орудие, инструмент) – это часть организма, имеющая определённое строение, занимающая определённое положение и выполняющая определённые функции.

Характерные признаки растений. Растения имеют преимущественно зелёную окраску, но могут быть окрашены в красный, бурый, жёлтый и другие цвета. Окраска растений определяется наличием в их клетках особых красителей – пигментов (от лат. пигментум– краска). У растений наиболее распространён зелёный пигмент – хлорофилл. Он играет чрезвычайно важную роль: улавливает солнечные лучи и обеспечивает усвоение их энергии. Это необходимое условие осуществления фотосинтеза (от греч. фотос – свет и синтезис – соединение) – процесса образования органических соединений из неорганических за счёт энергии света.

К царству Растения относят все фотосинтезирующие ядерные организмы. Растения разделяют на низшие и высшие.

Низшие растения. К низшим растениям относят водоросли, так как они не имеют ни корней, ни стеблей, ни листьев. Это сборная группа самых древних растений на Земле.

Среди водорослей есть одноклеточные и многоклеточные растения. Несмотря на сравнительно простое строение, различные группы водорослей имеют свои особенности и происходят от различных предков.

Зелёные водоросли. Одноклеточные зелёные водоросли содержат хлоропласты с хлорофиллом, который и придаёт им зелёную окраску. Эти водоросли живут в основном в воде – пресной или солёной, но встречаются виды, обитающие на сырых участках почвы, коре деревьев и других местах с повышенной влажностью. Виды, живущие вне воды, в период засухи находятся в состоянии покоя.

У многоклеточных зелёных водорослей тело (слоевище) имеет форму нитей или плоских листовидных образований. Эти зелёные водоросли живут как в пресной, так и солёной воде.

Наиболее сложное строение среди водорослей имеют харовые водоросли, обитающие в пресных водоёмах. Эти многочисленные зелёные водоросли по внешнему виду напоминают хвощи. У харовых имеются образования, которые по форме и выполняемым функциям напоминают корни, стебли, листья, но по строению они не имеют ничего общего с этими органами высших растений.

Бурые водоросли – многоклеточные, в основном морские растения. Общий внешний признак этих водорослей – желтовато-бурая окраска слоевищ. Слоевища бурых водорослей бывают нитевидной, шаровидной, пластинчатой, кустообразной формы, а их размеры колеблются от микроскопических до гигантских.

Красные водоросли, или багрянки, в основном многоклеточные морские растения. В клетках красных водорослей, кроме хлорофилла, содержатся красные и синие пигменты. В зависимости от их сочетания окраска багрянок меняется от ярко-красной до голубовато-зелёной и даже жёлтой.

Красные водоросли весьма разнообразны и очень красивы. Они имеют причудливые формы: пластинчатые, цилиндрические, нитевидные и кораллоподобные, в разной мере разветвлённые и рассечённые. В морях багрянки встречаются повсеместно. Благодаря тому, что красные пигменты способны улавливать даже очень небольшое количество света, они могут расти на глубине 100–200 м. Многие багрянки служат пищей для морских животных, используются они и в пищу человека.

Лишайники. Лишайник – единый организм, в котором гриб снабжает водоросли водой с растворёнными в ней минеральными веществами, а водоросли в процессе фотосинтеза образуют органические вещества, необходимые грибу. Таким образом, между грибом и водорослями существует тесная связь, полезная как одному, так и другому организму. Это явление называется симбиоз (от греч. симбиозис – совместная жизнь).

Лишайник впитывает влагу всей поверхностью тела, главным образом влагу дождей, росы и туманов. Это позволяет лишайникам поселяться везде, где есть свет. Без света невозможен фотосинтез в клетках водорослей и лишайник погибает.

Лишайники разнообразны по внешнему виду и окраске. Различают кустистые, листоватые и накипные лишайники. Слоевище кустистых лишайников действительно напоминает кустик. Пластинчатое слоевище листоватых лишайников несколько приподнято над поверхностью прикрепления и похоже на лист. Накипные лишайпики выглядят как тонкая пластинка, тесно прирастающая к поверхности прикрепления. Это самые неприхотливые и широко распространённые виды.

Несмотря па выносливость лишайников, они очень чувствительны к загрязнению окружающей среды. Поэтому отсутствие лишайников может быть показателем экологического неблагополучия.

Живут лишайники долго, сотни и даже тысячи лет, а растут очень медленно: всего несколько миллиметров в год.

Разбор типового тренировочного задания:

Тип задания: множественный выбор.

Текст вопроса: Выберите верные утверждения.

Корни и стебли у водорослей отсутствуют.
Хлорелла обитает только в воде.
Хлорелла – одноклеточная водоросль.
Водоросли в ходе фотосинтеза вырабатывают кислород.
Порфира передвигается в воде с помощью двух жгутиков.
Ламинария – это одноклеточная водоросль.

Правильный вариант/варианты (или правильные комбинации вариантов):

Корни и стебли у водорослей отсутствуют.

Хлорелла – одноклеточная водоросль.
Водоросли в ходе фотосинтеза вырабатывают кислород.

Читайте также: