Фотосинтез (від грец. φωτο- — світло та грец. σύνθεσις — синтез, сукупність) — це процес, за якого рослини, водорості та деякі бактерії використовують сонячну енергію для створення органічних речовин, таких як глюкоза, з неорганічних речовин, як вуглекислий газ і вода.
Він є критично важливим для підтримки всього життя на Землі, оскільки забезпечує їжу для більшості живих організмів. Основним продуктом фотосинтезу є глюкоза. Глюкоза – це вуглевод, що поповнює енергетичні запаси рослини.
Основна реакція фотосинтезу виглядає наступним чином:
CO₂ + H₂O + світлова енергія → C₆H₁₂O₆ + O₂
Вода (H₂O) потрапляє в рослину з ґрунту за допомогою кореня, звідкіля потім
транспортується по судинах до усіх її органів.
Вуглекислий газ (CO₂) потрапляє всередину листя через продихи — отвори в
епідермісі (верхньому шарі) листка, що пропускають молекули газу. Крізь
ці ж продихи вивільняється кисень (O₂), який утворюється в результаті
фотосинтезу.
Де відбувається фотосинтез?
Фотосинтез відбувається в хлоропластах, які є спеціалізованими органелами, що містяться в клітинах рослин і деяких інших організмів, таких як ціанобактерії.
У більшості рослин хлоропласти розташовані в листках, які є спеціалізованими органами, що поглинають сонячне світло. У листках хлоропласти розташовані в епідермісі, тобто в зовнішньому шарі клітин листка. Це дозволяє хлоропластам отримувати більше сонячного світла, необхідного для фотосинтезу.
Хлоропласти містять пігменти, такі як хлорофіл, які поглинають світлову енергію, необхідну для фотосинтезу.
Фази фотосинтезу
Перша фаза фотосинтезу – світлова. На цьому етапі молекула хлорофілу в хлоропластах реагує на світло, збираючи фотони сонячного світла.
Фотони стимулюють розщеплення молекули води на кисень, протони та електрони в процесі, який називається фотоліз води. Кисень вивільняється в атмосферу, а протони та електрони переносяться через фотосистеми.
Електрони, які відірвалися від води, передаються через ферментні структури, створюючи енергетичні носії, такі як АТФ (аденозинтрифосфат) та НАДФН (нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат).
Світлова фаза виробляє енергію у вигляді АТФ та НАДФН, яка в подальшому використовується в темновому циклі (циклі Калвіна) для синтезу органічних сполук, таких як глюкоза.
Друга фаза – темнова або світлонезалежна або цикл Калвіна. В цій фазі використовуються продукти світлової фази – АТФ та НАДФН. Ця фаза не потребує прямого впливу світла та здійснюється в темряві або за недостатнього світла. Основною метою темнової фази є використання енергії, накопиченої в світловій фазі, для синтезу глюкози та інших органічних сполук.
Основні етапи темнової фази:
- Фіксація вуглекислого газу (фіксація CO₂):
- Молекула CO₂, яка абсорбується з атмосфери, з’єднується з п’ятикарбоновою рибулозобісфосфатом (RuBP) у результаті каталізу ферментом рубіско (RUBISCO). У результаті цієї реакції формується стабільна молекула, яка розкладається на дві молекули 3-фосфогліцеринової кислоти (3-PGA).
- Редукція 3-PGA до гліцеральдегід-3-фосфату (G3P):
- Енергія, накопичена в світловій фазі у вигляді АТФ та НАДФН, використовується для конвертації 3-PGA в G3P. На цьому етапі частина G3P виводиться для синтезу глюкози та інших органічних сполук, а інша частина використовується для регенерації RuBP.
- Регенерація RuBP:
- Залишкові молекули G3P використовуються для регенерації RuBP за допомогою ряду хімічних реакцій. Цей етап є ключовим для підтримання неперервності фотосинтезу, оскільки RuBP є ключовим компонентом для фіксації вуглекислого газу.
- Формування органічних сполук:
- Частина G3P, що виводиться, може бути використана для синтезу глюкози, або інших органічних сполук, таких як крохмаль, амінокислоти та ліпіди.
В результаті темнової фази формується органічна речовина (глюкоза та інші вуглеводи), яка служить як джерело енергії для рослин та інших організмів, які вживають їх в їжу.
Значення фотосинтезу
Фотосинтез відіграє важливу роль у кругообігу вуглецю і кисню в природі. Він є джерелом їжі для більшості живих організмів і забезпечує кисень, необхідний для дихання.
Фотосинтез також відіграє важливу роль у кліматичному регулюванні. Він поглинає вуглекислий газ з атмосфери, що допомагає зменшити парниковий ефект.
Відктриття та дослідження фотосинтезу
ідкриття фотосинтезу було тривалим і складним процесом, який включав внесок багатьох вчених.
Одним з перших вчених, які присвятили своє дослідження фотосинтезу, був Ян Баптист ван Гельмонт. У 17 столітті він провів серію експериментів з гілочкою верби.
Суть експерименту полягала в тому, що ван Гельмонт зважив глиняний горщик, наповнений землею, і висадив в нього молоду гілку верби. Потім він ретельно поливав рослину. Після деякого часу ван Гельмонт знову зважив горщик і помітив, що маса землі практично не змінилася, але рослина значно збільшилася в розмірі та масі.
З цього експерименту ван Гельмонт зробив висновок, що рослини збільшують свою масу, перетворюючи воду. Трактат, де він описав цей експеримент, вийшов під назвою “Ortus medicinae” у 1648 році.
У 18 столітті англійський хімік Джозеф Прістлі в 1771 році провів цікавий експеримент, який стосувався впливу рослин на склад повітря. Його експеримент був проведений за допомогою гілочки м’яти та мишей, і він мав на меті дослідити вплив рослин на життєві процеси тварин.
Прістлі помістив мишу під ковпак і спостерігав за її станом. Після п’яти днів миша померла. Це підтвердило вже відомий факт, що замкнуте простір обмежує доступ до свіжого повітря, необхідного для життя.
Наступний етап полягав у тому, що Прістлі помістив ще одну мишу під ковпак, але цього разу додав до простору гілку м’яти. В цьому випадку миша залишилася живою.
Прістлі зробив висновок, що гілка м’яти утворює щось, що збагачує повітря, зроблюючи його придатним для дихання тварин.
У 19 столітті швейцарський вчений Жан Сенеб’є виявив, що вуглекислий газ є необхідним для фотосинтезу. Він встановив, що якщо рослині не забезпечити вуглекислий газ, вона не зможе синтезувати органічні речовини.
У 20 столітті багато вчених зробили важливі внески в наше розуміння фотосинтезу. Одним з найважливіших відкриттів було виявлення хлорофілу. У 1918 році німецький фізик Ріхард Вільштеттер виділив хлорофіл з листя рослин.
У 1940-х роках американські вчені Мелвін Калвін і Андреас Мічеліс розробили цикл Калвіна, який є основним механізмом фіксації вуглекислого газу в фотосинтезі. Ця робота принесла їм Нобелівську премію з хімії в 1961 році.
Дослідження фотосинтезу тривають і донині.