Фотосинтез объяснён: Как растения превращают солнечный свет в химическую энергию

Фотосинтез - это биологический процесс, который преобразует световую энергию в химическую энергию, накопленную в сахаре. По данным National Geographic Education, растения используют солнечный свет, воду и углекислый газ для создания кислорода и энергии в форме сахара, поглощая углекислый газ и воду и выделяя кислород, запасая энергию в молекулах глюкозы.

Где это происходит: внутри хлоропласта

Процесс происходит в хлоропластах - органеллах, найденных в клетках растений и водорослей, согласно National Geographic Education. Хлоропласты содержат два ключевых региона, описанные в биологических справочниках на bio.libretexts.org: мембраны тилакоидов, где происходят световые реакции, и строма - жидкое пространство, где световые независимые реакции цикла Кальвина имеют место.

Хлорофилл, зелёный пигмент, упакованный в мембраны тилакоидов, поглощает энергию главным образом из синего и красного света, отражая зелёный свет, что и объясняет, почему большинство листьев выглядят зелёными, отмечает National Geographic Education.

Этап первый: световые реакции

В мембране тилакоида световая энергия, поглощённая хлорофиллом в структуре, называемой фотосистемой II, используется для расщепления молекул воды, согласно bio.libretexts.org. Это расщепление высвобождает два электрона, два атома водорода и один атом кислорода; кислород выделяется как побочный продукт, который является источником кислорода, выделяемого растениями.

Освобождённые электроны движутся по цепи переноса электронов от фотосистемы II через комплекс, называемый цитохромом b6f, к фотосистеме I, теряя энергию по пути и переполучая энергию благодаря свету, поглощённому в фотосистеме I, согласно bio.libretexts.org. Когда электроны движутся через цитохром b6f, ионы водорода закачиваются через мембрану тилакоида, создавая градиент концентрации. Этот градиент приводит в действие хемиосмос, при котором АТФ-синтаза добавляет фосфатную группу к АДФ, образуя АТФ. В фотосистеме I высокоэнергетические электроны в итоге используются для преобразования НАДФ+ в НАДФН.

Чистый результат этого этапа, как резюмировано bio.libretexts.org, это реакция: 2 H2O + 2 NADP+ + 3 ADP + 3 Pi → O2 + 2 NADPH + 3 ATP. АТФ и НАДФН, произведённые здесь, несут химическую энергию во второй этап.

Этап второй: цикл Кальвина

Цикл Кальвина происходит в строме и не требует света непосредственно, согласно bio.libretexts.org. Он протекает в три этапа. Первый, фиксация углерода, фермент RuBisCO соединяет углекислый газ с пятиуглеродной молекулой, называемой RuBP, производя две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (3-PGA) для каждого зафиксированного CO2.

Второй, восстановление, АТФ и НАДФН, произведённые во время световых реакций, преобразуют 3-PGA в глицеральдегид 3-фосфат (G3P), строительный блок, который растения используют для производства глюкозы и других углеводов. Третий, регенерация, большая часть произведённого G3P используется для восстановления RuBP, потребляя дополнительный АТФ, чтобы цикл мог продолжаться, согласно bio.libretexts.org.

Производство одной молекулы G3P требует трёх оборотов цикла, потребляя три молекулы CO2, девять АТФ и шесть НАДФН; построение одной молекулы глюкозы требует шести оборотов цикла, согласно bio.libretexts.org.

Почему фотосинтез имеет значение за пределами растения

National Geographic Education заявляет, что большинство жизни на Земле зависит от фотосинтеза: травоядные получают энергию, поедая растения, а хищники получают её косвенно, поедая травоядных, что делает фотосинтез точкой входа энергии в большинство пищевых цепей. Процесс также является основным источником атмосферного кислорода.

Наземные растения - не единственные фотосинтетики, которые имеют значение для запаса кислорода планеты. Согласно National Ocean Service NOAA, примерно половина кислорода Земли происходит из океана, производимого фитопланктоном - дрейфующими растениями, водорослями и некоторыми бактериями, способными к фотосинтезу. NOAA выделяет Prochlorococcus, описанный как самый маленький фотосинтетический организм на Земле, как вид, который один производит до 20% кислорода во всей биосфере, больше, чем все тропические леса вместе взятые.

NOAA также отмечает важное предостережение: в океане примерно столько же кислорода производится фотосинтезом, сколько потребляется морской жизнью через дыхание и разложение, так что океан функционирует скорее как сбалансированный цикл кислорода, чем как чистое приращение атмосферы.

Два этапа в кратком виде