Фотосинтез объяснен: как растения превращают солнечный свет в химическую энергию

Фотосинтез - это биологический процесс, который преобразует световую энергию в химическую энергию, запасенную в молекулах сахара. По данным National Geographic Education, растения используют солнечный свет, воду и углекислый газ для создания кислорода и энергии в форме глюкозы, процесс, который поддерживает большую часть жизни на Земле.

NASA's Earth Observatory описывает это же преобразование в химических терминах: растения поглощают углекислый газ и воду и, используя солнечную энергию, преобразуют их в углеводы, выделяя кислород как побочный продукт. Общая реакция обычно записывается как CO2 + H2O + световая энергия → CH2O (углевод) + O2.

Где это происходит: хлоропласт

В растениях фотосинтез происходит внутри хлоропластов - специализированных структур, находящихся в основном в клетках листьев. Хлоропласты содержат внутреннюю мембранную систему, называемую тилакоидом, где происходят реакции, захватывающие свет, и окружающую жидкость, называемую стромой, где углерод преобразуется в сахар, как объяснено в National Geographic Education.

Роль хлорофилла

Хлорофилл - это зеленый пигмент внутри хлоропластов, который поглощает световую энергию для запуска процесса. NASA's Earth Observatory отмечает, что хлорофилл сильно поглощает видимый свет в солнечном спектре для использования в фотосинтезе, в то время как структуры клеток листьев отражают ближний инфракрасный свет. Поскольку хлорофилл поглощает красные и синие длины волн, но отражает зеленый свет, листья выглядят зелеными, согласно National Geographic Education.

Стадия первая: световые реакции

Первая стадия происходит в мембранах тилакоида и требует солнечного света. Световая энергия возбуждает электроны в хлорофилле, и эта энергия используется для расщепления молекул воды, выделяя кислород как побочный продукт. Энергия, захваченная на этой стадии, временно сохраняется в молекулах АТФ и NADPH, которые затем используются на следующей стадии, как резюмировано в National Geographic Education.

Стадия вторая: цикл Кальвина

Вторая стадия, известная как цикл Кальвина или световые независимые реакции, происходит в строме и не требует света напрямую. Вместо этого она использует АТФ и NADPH, производимые на первой стадии, для преобразования углекислого газа в глюкозу и другие углеводы, которые растение использует для роста и накопления энергии.

Почему это имеет значение за пределами растения

Фотосинтез является основой большинства пищевых цепей на Земле: травоядные получают энергию, поедая растения, а плотоядные получают ее косвенно, поедая травоядных, как отмечено в National Geographic Education. NASA's Earth Observatory добавляет, что наземные растения и морской фитопланктон вместе образуют основу того, что ученые называют быстрым, или биологическим, углеродным циклом, снижая содержание углекислого газа в атмосфере по мере их роста.

NASA's Earth Observatory также указывает, что растения в настоящее время поглощают примерно 25 процентов избыточного углекислого газа, выбрасываемого в результате деятельности человека, хотя эта способность ограничена доступностью воды, питательными веществами и повышением температуры. Поскольку фотосинтез удаляет углекислый газ из атмосферы на сезонной основе, ученые могут отслеживать вегетационный период Северного полушария через измеримые снижения атмосферного CO2 каждой весной, согласно тому же источнику.

Дистанционное зондирование и мониторинг в реальном мире

Отличительный способ, которым хлорофилл поглощает видимый свет, в то время как структуры листьев отражают ближний инфракрасный свет, позволяет спутникам, таким как инструмент MODIS компании NASA, оценивать плотность растительности и здоровье растений с орбиты, как объясняет NASA's Earth Observatory. Это приложение дистанционного зондирования является прямым практическим использованием основного принципа поглощения света, который управляет фотосинтезом.