Фотосинтез — это основа жизни на Земле. За этот процесс в первую очередь отвечают зеленые растения: без них не было бы ни пищи для живых существ, ни воздуха для дыхания. Подробнее о том, как происходит процесс фотосинтеза и какую роль он играет для жизни на нашей планете, рассказывает «Лента.ру».

Что такое фотосинтез

Фотосинтез — это сложный процесс, который позволяет зеленым растениям и некоторым бактериям превращать энергию солнечного света в энергию, запасенную в углеводах. В ходе фотосинтеза растения поглощают углекислый газ и воду, образуя органические вещества (в том числе глюкозу) из неорганических и выделяя кислород.

Растениям энергия, образованная в ходе фотосинтеза, нужна для роста и развития. Питаясь растениями, доступ к этой энергии получают другие живые организмы. А благодаря кислороду, который появляется в результате фотосинтеза и является его побочным продуктом, воздух становится пригодным для дыхания. Кроме того, фотосинтез создает и поддерживает растительный покров Земли. Этот покров защищает почву от эрозии, регулирует круговорот воды и формирует микроклимат.

Формула фотосинтеза

Общая формула фотосинтеза у зеленых растений выглядит следующим образом:

6СО2 + 6Н2О + свет → С6Н12О6 + 6О2

СО2 — углекислый газ; Н2О — вода; С6Н12О6 — глюкоза, важнейшее органическое соединение, полученное в ходе фотосинтеза; О2 — кислород.

Кто открыл фотосинтез

В 1771 году естествоиспытатель и химик Джозеф Пристли (он же в 1774-м открыл кислород) провел один из главных экспериментов, положивший начало изучению фотосинтеза. Он обнаружил, что растение способно «исправлять» воздух, непригодный для дыхания: мышь, помещенная в банку, где до этого погасла свеча, выживала, если там находилось зеленое растение. Это позволило Пристли сделать вывод, что растения очищают атмосферу.

В 1779 году биолог, химик и физиобиолог Ян Ингенхауз определил, что для этого процесса необходим солнечный свет. А 1817-м химики Пьер Пеллетье и Жозеф Каванту впервые выделилил из листьев зеленых растений хлорофилл — зеленый пигмент, который играет ключевую роль в фотосинтезе.

Дальнейшие исследования показали, что для процесса фотосинтеза важен не только свет, но и так называемая темновая фаза, а также определили их различия. Кроме того, ученые детально расшифровали последовательность преобразования энергии солнечного света в энергию химических связей органических соединений, описав ключевые этапы фотосинтеза.

Эти открытия в итоге помогли понять глобальную роль растений и химических механизмов фотосинтеза.

Где происходит фотосинтез

«Фотосинтез возможен благодаря способности растений улавливать солнечный свет. Для этого в листьях содержится специальный пигмент — хлорофилл, который и окрашивает растение в зеленый цвет», — рассказал в беседе с «Лентой.ру» кандидат биологических наук, доцент кафедры фармакогнозии и ботаники Новосибирского государственного медицинского университета Константин Качкин.

Хлорофиллу помогают другие пигменты — каротиноиды и фикобилины. Они поглощают световые волны, недоступные для самого хлорофилла. Каротиноиды, как и хлорофилл, улавливают синюю часть спектра. Фикобилины же способны поглощать желтые, оранжевые и зеленые волны света. Все вспомогательные пигменты передают собранную энергию хлорофиллу. Это запускает процесс фотосинтеза в растении.

Что происходит в процессе фотосинтеза

Процесс фотосинтеза можно разделить на две фазы:

световая фаза; темновая фаза.

Световая фаза фотосинтеза

В световую фазу фотосинтеза происходит самое важное — улавливание солнечного света. Этот процесс протекает в клетках, содержащих хлоропласты, где хлорофилл поглощает энергию солнца.

Поглощенная энергия используется для расщепления молекулы воды. В результате высвобождаются электроны, протоны и кислород, который мы и вдыхаем. Именно в этот момент появляется энергия электронов, которая необходима для следующих реакций.

Темновая фаза фотосинтеза

В темновой стадии фотосинтеза неорганические соединения синтезируются в органические вещества. Растение использует энергию, запасенную в молекулах АТФ в ходе световой фазы.

Углекислый газ фиксируется ферментом Рубиско и вступает в цикл Кальвина. В ходе серии ферментативных реакций, использующих энергию АТФ и восстановительную силу НАДФ·H, из CO₂ постепенно синтезируется глюкоза — простой сахар.

Таким образом, главная задача этой фазы — создание питательных веществ для растения. Важно, что для этого уже не требуется световой энергии, поэтому он может протекать как днем, так и ночью, используя сделанные ранее запасы.

Значение фотосинтеза

Формирование озонового слоя

Фотосинтез считается одним из важнейших процессов, благодаря которому стало возможно зарождение жизни на Земле. Именно благодаря ему вокруг планеты сформировался защитный озоновый экран, которыей не пропускает губительное для всего живого космическое излучение. До появления озонового слоя организмы могли развиваться лишь в воде, которая защищала их от УФ-излучения.

Выделение кислорода

Фотосинтезирующие организмы, выделяя кислород, создают основу для жизни всех, кто дышит воздухом, включая человека. Практически весь кислород в атмосфере и воде на планете был произведен растениями.

При этом, как отмечает кандидат биологических наук, основным источником кислорода на Земле являются не тропические леса, как принято считать, а Мировой океан, где постоянно фотосинтезируют многочисленные, в первую очередь микроскопические, водоросли. Тропические леса по производству кислорода находятся на втором месте, а леса умеренных широт — на третьем.

Контроль концентрации углекислого газа

Благодаря фотосинтезу контролируется концентрация одного из важнейших парниковых газов — углекислого. Ежегодно фотосинтезирующие организмы изымают из атмосферы приблизительно 123 миллиарда тонн углекислого газа, превращая его в биомассу и запасая в почве в виде органического вещества, рассказывает Константин Качкин.

При уничтожении растительных сообществ, в первую очередь лесов, например, при пожарах, в атмосферу возвращается весь запасенный углекислый газ, увеличивая таким образом парниковый эффект.

Создание органических веществ

Растения, используя энергию солнца, создают из воды и углекислого газа сложные питательные вещества для своего роста. Когда растения отмирают, эти вещества попадают в почву, где практически полностью разлагаются. Лишь небольшая часть — около 1 процента — сохраняется, превращаясь в залежи торфа и органического осадка (детрита).

Эти органические остатки (торф и детрит) накапливаются в течение миллионов лет, покрываются новыми слоями осадочных пород и погружаются вглубь земли. Под действием огромного давления и высокой температуры без доступа кислорода происходит медленный процесс преобразования. Торф постепенно становится каменным углем. Органический осадок на дне древних морей (детрит) под влиянием тех же условий и деятельности микроорганизмов превращается сначала в кероген, а затем — в нефть и природный газ.