Учебник для 9 класса

Биология

§14. Автотрофное питание

Вспомните из учебника «Растения. Бактерии. Гри бы и лишайники», в чем сущность фотосинтеза. В ка ких органоидах клетки он протекает? Какие вещества участвуют и какие синтезируются при фотосин тезе? Какие условия необходимы для фотосинтеза?

Жизнь на Земле зависит от автотрофных организмов. Почти все органические вещества, необходимые для жи -вых клеток, производятся в процессе фотосинтеза.

Фотосинтез (от греч. фотос — свет и синтезис — соединение, сочетание) — превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами неорганических веществ (воды и углекислого газа) в органические за счет солнечной энергии, которая преобразуется в энергию химических связей в молекулах органических веществ.

Рис. 55. Дж. Пристли (1783—1804) и его опыт

История открытия и изучения фотосинтеза. В течение нескольких веков ученые-биологи пытались разгадать тайну зеленого листа. Долгое время считалось, что растения создают питательные вещества из воды и минеральных веществ.

Открытие роли зеленого листа принадлежит не биологу, а химику — английскому ученому Джозефу Пристли (рис. 55). В 1771 г., изучая значение воздуха для горения веществ и дыхания, он поставил следующий опыт. В герметичный стеклянный сосуд он поместил мышь и убедился через некоторое время в том, что она, израсходовав на дыхание весь кислород воздуха, погибла. Но если рядом с ней ставили живое растение, то мышь продолжала жить. Следовательно, воздух в сосуде оставался хорошим. Пристли сделал важный вывод: растения улучшают воздух, насыщая его кислородом, — делают его пригодным для дыхания. Так впервые была установлена роль зеленых растений. Пристли первым высказал предположение и о роли света в жизнедеятельности растений.

Большой вклад в изучение фотосинтеза внес русский ученый К.А. Тимирязев (рис. 56). Он исследовал влияние различных участков спектра солнечного света на процесс фотосинтеза и установил, что фотосинтез наиболее эффективен в красных лучах. Тимирязев доказал, что, усваивая углерод в присутствие солнечного света, растение преобразует его энергию в энергию органических веществ.

В своей работе «Солнце, жизнь и хлорофилл» К. А. Тимирязев подробно описал и научно обосновал свои опыты. Его методы лабораторных исследований использовали другие ученые для последующих работ по изучению фотосинтеза. Актом авторитетного признания научных заслуг ученого явилось приглашение Климента Аркадьевича Тимирязева в 1903 г. в Лондонское королевское общество для чтения знаменитой лекции «Космическая роль растений». За свои работы по изучению фотосинтеза он был избран почетным доктором ряда западноевропейских университетов.

Фазы фотосинтеза. В процессе фотосинтеза энергетически бедные вода и углекислый газ превращаются в энергоемкое органическое вещество — глюкозу. При этом солнечная энергия аккумулируется в химических связях этого вещества. Кроме того, в процессе фотосинтеза в атмосферу выделяется кислород, который используется организмами для дыхания.

Рис. 56. Климент Аркадьевич Тимирязев(1843 — 1920)

В настоящее время установлено, что фотосинтез протекает в две фазы — световую и темновую (рис. 57).

Рис. 57. Общая схема фотосинтеза

Рис. 58. Интенсивность фотосинтеза в разных спектрах света

В световую фазу благодаря солнечной энергии происходит возбуждение молекул хлорофилла и синтез АТФ. Одновременно с этой реакцией под действием света разлагается вода (Н20) с выделением свободного кислорода (02). Этот процесс назвали фотолизом (от греч. фотос — свет и лизис — растворение). Образовавшиеся ионы водорода связываются с особым веществом — переносчиком ионов водорода (НАДФ) и используются в следующей фазе.

Для протекания реакций темповой фазы наличие света необязательно. Источником энергии здесь служат синтезированные в световую фазу молекулы АТФ. В темповой фазе происходит усвоение углекислого газа из воздуха, его восстановление ионами водорода и ооразование глюкозы благодаря использованию энергии АТФ.

Влияние условий среды на фотосинтез. При фотосинтезе используется только 1% солнечной энергии, падающей на лист. Фотосинтез зависит от целого ряда условий среды. Во-первых, наиболее интенсивно этот процесс протекает под влиянием красных лучей солнечного спектра (рис. 58). Степень интенсивности фотосинтеза определяется по количеству выделившегося кислорода, который вытесняет воду из цилиндра. Скорость фотосинтеза зависит также и от степени освещенности растения. Увеличение продолжительности светового дня приводит к росту продуктивности фотосинтеза, т. е. количества образуемых растением органических веществ.

Значение фотосинтеза. Продукты фотосинтеза используются:

• организмами в качестве питательных веществ, источника энергии и кислорода для процессов жизнедеятельности;
• в производстве человеком продуктов питания;
• в качестве строительного материала для построек жилищ, в производстве мебели и др.

Человечество своим существованием обязано фотосинтезу. Все запасы горючего на Земле — это продукты, образованные в результате фотосинтеза. Используя уголь и древесину, мы получаем энергию, которая была запасена в органических веществах при фотосинтезе. Одновременно в атмосферу выделяется кислород. По подсчетам ученых, без фотосинтеза весь запас кислорода был бы израсходован за 3000 лет.

Хемосинтез. Кроме фотосинтеза, известен еще один способ получения энергии и синтеза органических веществ из неорганических. Некоторые бактерии способны извлекать энергию путем окисления различных неорганических веществ. Для создания органических веществ им не нужен свет. Процесс синтеза органических веществ из неорганических, проходящий благодаря энергии окисления неорганических веществ, называют хемосинтезом (от лат. хемия — химия и греч. синтезис — соединение, сочетание).

Хемосинтезирующие бактерии были открыты русским ученым С.Н.Виноградским. В зависимости оттого, при окислении какого вещества выделяется энергия, различают хемосинтезирующие железобактерии, серобактерии и азотобактерии.

Упражнения по пройденному материалу

1. Дайте определение фотосинтеза. Какое значение имеет этот процесс для жизни на Земле?
2. Какие вещества образуются в световую фазу фотосинтеза?
3. Назовите основные реакции темповой фазы. За счет какой энергии синтезируется глюкоза?
4. В чем основное отличие хемосинтеза от фотосинтеза?
5. Объясните, почему в процессе исторического развития органического мира фотосинтезирующие организмы заняли господствующее положение по сравнению с хемосинтезирующими.