Лист не жуёт, не охотится и не ходит в магазин. Но маленький росток постепенно превращается в дерево, наращивает корни, ветви и сотни килограммов древесины. Откуда растение вообще берёт материал для строительства собственного тела?
Короткий ответ: фотосинтез позволяет растениям с помощью света создавать органические вещества из углекислого газа и воды. Энергия света запасается в химических связях созданных веществ, а одним из продуктов процесса становится кислород.
.jpg){kind=link}
Что такое фотосинтез простыми словами
Фотосинтез — это процесс, при котором растения используют энергию света, чтобы из воды и углекислого газа создавать богатые энергией органические вещества.
Название состоит из двух частей: «фото» связано со светом, а «синтез» означает создание чего-то нового из более простых веществ.
Для растения это одна из главных химических систем жизни.
Корни получают воду.
Лист получает из воздуха углекислый газ.
Хлорофилл и другие молекулы внутри хлоропластов поглощают энергию света.
Затем начинается длинная цепочка реакций, в результате которой энергия света оказывается запасена в органических молекулах.
Упрощённо школьную схему часто записывают так:
углекислый газ + вода + энергия света → органические вещества + кислород.
Иногда справа пишут именно глюкозу. Для первого знакомства это удобно, хотя реальные реакции внутри клетки гораздо сложнее и не превращают шесть молекул CO₂ в готовый кубик сахара одним химическим шагом.
Что нужно для фотосинтеза
Для обычного фотосинтеза зелёному растению нужны свет, вода, углекислый газ и работающий фотосинтетический аппарат клетки.
Разберём эти ингредиенты.
- Свет поставляет энергию.
- Вода поступает главным образом через корни.
- Углекислый газ растение получает из воздуха.
- Хлорофилл и другие пигменты помогают поглощать свет.
- Хлоропласты содержат молекулярные системы, в которых идут основные этапы фотосинтеза у растений.
Если убрать один из необходимых компонентов, скорость процесса снизится или фотосинтез остановится.
Например, можно поставить растение на яркий свет, но если ему не хватает воды, оно не сможет бесконечно увеличивать фотосинтез.
Растение — не солнечная батарея, которая работает независимо от всего остального.
Откуда растение берёт углекислый газ
Углекислый газ поступает внутрь листа из окружающего воздуха через микроскопические отверстия — устьица.
Невооружённым глазом их обычно не увидеть.
На поверхности листа находятся специальные замыкающие клетки. Они могут менять форму и тем самым открывать или закрывать устьичную щель.
Когда устьица открыты, углекислый газ может диффундировать внутрь листа.
Но здесь растение сталкивается с проблемой.
Через те же открытые устьица наружу уходит водяной пар.
Поэтому листу приходится постоянно искать компромисс: получить достаточно CO₂ для фотосинтеза и при этом не потерять слишком много воды.
Откуда растение берёт воду для фотосинтеза
Основную воду наземное растение получает из почвы через корневую систему, после чего она движется вверх по проводящей ткани — ксилеме.
То есть фотосинтез в листе зависит от событий, происходящих далеко внизу.
После дождя часть воды просачивается в почву. Корни поглощают её, а затем вода проходит через стебель и попадает в листья.
При этом большая часть воды, проходящей через растение, в фотосинтез химически не превращается.
Очень много воды затем испаряется через листья.
Получается интересная связь: дождь, почва, корни, лист и атмосфера — части одной системы.
О том, откуда вообще берётся вода, падающая с неба, читай в статье «Почему идёт дождь?».
Где происходит фотосинтез
У зелёных растений главные реакции фотосинтеза происходят в хлоропластах — специальных структурах внутри клеток.
Особенно много хлоропластов находится в клетках листа, хорошо освещённых солнцем.
Если заглянуть внутрь хлоропласта под мощным электронным микроскопом, там обнаружатся многочисленные мембранные структуры.
Это не просто мешочки с зелёной краской.
В мембранах тилакоидов находятся молекулы хлорофилла, белковые комплексы и системы переноса электронов.
Именно там начинается превращение энергии света в химическую энергию, которой клетка сможет пользоваться дальше.
Зачем растениям хлорофилл
Хлорофилл поглощает энергию света и запускает светозависимые реакции фотосинтеза.
Солнечный свет состоит из электромагнитного излучения разных длин волн.
Хлорофилл особенно хорошо поглощает свет в красной и синей областях спектра.
А зелёный свет поглощается хуже и в большей степени отражается или проходит через лист.
Поэтому большинство листьев кажется нам зелёным.
Осенью производство и сохранение хлорофилла меняются, зелёный цвет исчезает и становятся заметнее другие пигменты.
Как происходит фотосинтез
Фотосинтез идёт не одним химическим прыжком, а в несколько связанных этапов.
Для школьного объяснения их удобно разделить на две большие части.
Сначала происходят светозависимые реакции.
Хлорофилл поглощает фотон света. Его энергия возбуждает электроны, а система белков начинает передавать их по цепочке.
При этом клетка создаёт молекулы, в которых временно запасается энергия для следующего этапа.
Одновременно расщепляется вода.
Затем наступает этап фиксации углекислого газа — цикл реакций, известный как цикл Кальвина.
В нём углерод из CO₂ включается в органические молекулы.
Позже из таких соединений растение создаёт сахара и множество других веществ.
И всё это происходит внутри клетки без огня, двигателя и видимого движения.
Откуда берётся кислород при фотосинтезе
Кислород, который растение выделяет при фотосинтезе, появляется при расщеплении молекул воды в светозависимых реакциях.
Вот один из самых неожиданных моментов всей истории.
По простой школьной формуле легко решить, что растение взяло CO₂, оставило себе углерод, а два атома кислорода просто выпустило наружу.
Но эксперименты показали, что молекулярный кислород O₂, выделяемый при фотосинтезе, связан именно с расщеплением воды.
То есть атомы кислорода из углекислого газа проходят другие химические пути.
Откуда дерево берёт материал для ствола
Большая часть углерода в сухой массе растения пришла из углекислого газа воздуха.
Это, пожалуй, самая странная часть фотосинтеза.
Посмотри на огромный ствол.
Кажется очевидным, что дерево должно было «выесть» из земли сотни килограммов вещества.
Но почва не исчезает под растущим дубом пропорционально массе его древесины.
Корни действительно получают из неё воду и необходимые минеральные элементы — азот, калий, фосфор, магний и другие.
Но углерод, из которого построено огромное количество органического вещества дерева, поступает главным образом из CO₂ атмосферы.
Фотосинтез превращает этот газ в органические молекулы.
Из них затем строятся целлюлоза, крахмал, жиры, белки и другие вещества растения.
Что растение делает с созданными сахарами
Продукты фотосинтеза служат растению и источником химической энергии, и строительным материалом.
Часть углеводов используется в клеточном дыхании.
Часть превращается в сахарозу и переносится в другие органы.
Часть может запасаться в виде крахмала.
Из углеродных соединений растение строит новые клетки, древесину, корни, плоды и семена.
Но растение не может создать всё только из CO₂ и воды.
Для белков, ДНК, хлорофилла и множества других молекул необходимы минеральные элементы, которые поступают через корни.
То есть фраза «растение питается воздухом» эффектна, но тоже слишком проста.
Зачем растениям солнце
Свет нужен растениям как источник энергии для фотосинтеза.
Молекулы CO₂ и воды сами по себе не собираются в богатые энергией органические вещества.
На это нужно затратить энергию.
В природе основным её источником служит Солнце.
Поэтому если зелёное растение надолго оставить совсем без света, оно не сможет продолжать нормальный фотосинтез и начнёт расходовать собственные запасы.
Но есть важное уточнение.
Растению нужен не обязательно именно солнечный луч.
При подходящих условиях фотосинтез может идти и под искусственным освещением, если свет имеет подходящий спектр и достаточную интенсивность.
Именно поэтому растения выращивают в теплицах и специальных установках с лампами.
Правда ли фотосинтез происходит только днём
Светозависимые реакции требуют света, поэтому в полной темноте они не идут.
В старых школьных схемах можно встретить выражения «световая фаза» и «темновая фаза» фотосинтеза.
Из-за этого легко решить, что одна часть процесса идёт днём, а другая обязательно ночью.
Это неверно.
Реакции фиксации углекислого газа не используют фотон непосредственно в каждом своём шаге, но им нужны вещества, созданные светозависимыми реакциями.
Поэтому слово «темновая» не означает «происходящая только в темноте».
Дышат ли растения
Да. Растения выполняют клеточное дыхание и днём, и ночью.
Это другой процесс.
При клеточном дыхании клетки получают доступную энергию из органических веществ.
Кислород при аэробном дыхании расходуется, а углекислый газ образуется.
Фотосинтез и дыхание поэтому нельзя представлять как два режима выключателя:
«днём фотосинтез, ночью дыхание».
Дыхание идёт постоянно.
При хорошем освещении фотосинтез у активно растущего зелёного растения обычно идёт достаточно интенсивно, и в окружающую среду в сумме выделяется больше кислорода, чем расходуется этим же растением.
Фотосинтезируют ли все растения
Большинство знакомых нам зелёных растений фотосинтезирует, но способность получать энергию света есть не только у растений.
Фотосинтезируют многие водоросли и цианобактерии.
И наоборот — не всякий организм, который растёт из земли, занимается фотосинтезом.
Грибы, например, фотосинтезировать не умеют.
Они получают готовые органические вещества из окружающей среды.
Почему фотосинтез важен не только растениям
Фотосинтез снабжает огромную часть биосферы органическим веществом и поддерживает содержание кислорода в атмосфере.
Трава создаёт органические вещества.
Её ест заяц.
Зайца может съесть хищник.
Даже если последнее животное никогда в жизни не жевало лист, энергия в этой цепочке в значительной степени восходит к свету, который когда-то был поглощён фотосинтезирующим организмом.
То же происходит в морях и океанах, где огромную роль играют микроскопические фотосинтезирующие организмы.
Поэтому фотосинтез — не просто способ «накормить дерево».
Это один из процессов, на которых держатся современные экосистемы Земли.
Как учёные поняли, что растениям нужен свет
К пониманию фотосинтеза учёные пришли постепенно, ставя эксперименты с растениями, воздухом, водой и светом.
В XVIII веке Ян Ингенхауз показал, что зелёные части растений на свету способны выделять кислород.
Позже эксперименты других исследователей помогли выяснить роль углекислого газа, воды, хлорофилла и отдельных этапов реакции.
Особенно важным стало развитие химии и методов, позволяющих проследить судьбу отдельных атомов.
Именно благодаря таким экспериментам удалось доказать неожиданную вещь — выделяемый фотосинтезом кислород происходит из воды.
Можно ли увидеть фотосинтез своими глазами
Сам химический процесс слишком мал, чтобы увидеть его без приборов, но некоторые его последствия наблюдать можно.
В школьных опытах используют водные растения.
Если подходящее водное растение поместить на свет, при хороших условиях на его поверхности могут появляться пузырьки газа.
Но просто увидеть пузырьки недостаточно, чтобы строго доказать весь механизм фотосинтеза.
Настоящий эксперимент требует контроля условий и сравнения результатов.
Поэтому старый опыт с листом, часть которого просто закрыли бумагой, тоже нельзя трактовать слишком смело.
В классической школьной постановке после периода освещения проверяют образование крахмала специальными реактивами. Такие химические опыты лучше проводить в школе или со взрослым, соблюдая правила безопасности.
Так что такое фотосинтез
Фотосинтез — это способ превратить энергию света в химическую энергию органических веществ.
Растение получает воду, углекислый газ и свет.
Хлорофилл и другие компоненты фотосинтетического аппарата поглощают световую энергию.
В светозависимых реакциях энергия запасается в химической форме и расщепляется вода.
Затем углерод из CO₂ включается в органические соединения.
Из этих веществ растение строит своё тело, запасает энергию и поддерживает собственную жизнь.
А кислород выходит в окружающую среду.
И вот ответ на нашу первую загадку: дерево действительно строит значительную часть своего тела из вещества, углерод которого пришёл из невидимого газа в воздухе.
Коротко для школьного сообщения
Фотосинтез — это процесс, при котором растения с помощью энергии света создают органические вещества из углекислого газа и воды.
Фотосинтез происходит главным образом в хлоропластах зелёных клеток. Хлорофилл поглощает свет. Углекислый газ поступает через устьица листа, а вода приходит от корней.
Во время светозависимых реакций расщепляется вода и выделяется кислород. Затем углерод из углекислого газа используется для создания органических веществ.
Фотосинтез важен для растения, потому что обеспечивает его химической энергией и строительным материалом, а для всей биосферы — потому что создаёт органическое вещество и поддерживает содержание кислорода в атмосфере.
Источники
- OpenStax Biology 2e — Overview of Photosynthesis
- OpenStax — The Light-Dependent Reactions of Photosynthesis
- OpenStax Biology 2e — Nutritional Requirements of Plants
- OpenStax Biology 2e — Transport of Water and Solutes in Plants
- OpenStax Biology 2e — Biogeochemical Cycles
- Wikimedia Commons — изображения, авторство и лицензии.